详细全面解析独特POL DC/DC转换器电源系统解决方案

我们先从整个系统的电源管理说起。

大数据服务器、机器学习、人工智能（AI）、5G手机、物联网以及企业级计算等高端应用，背后都离不开强大的ASIC、FPGA、GPU和CPU。这些芯片有一个共同的“胃口”：低电压、大电流，而且需要在紧凑的封装内实现高功率密度。为了满足它们的需求，业界普遍采用分布式电源架构，也就是将DC/DC转换器直接放置在负载点（POL）——紧挨着高性能处理器。这样一来，电路板上就会密密麻麻地排布着许多这样的电源转换器。那么问题来了：如何让这些电源模块尽可能小，以节省宝贵的板面积？同时，它们还要经受住性能、延迟、散热、效率和可靠性的多重考验，并且设计过程要简单，成本要低。

要解决这个难题，必须从系统层面入手。将高性能半导体与无源元件相结合，再借助先进的封装技术实现更高水平的集成。事实证明，与其他方案相比，这种思路能够实现更小的尺寸、更低的外形，热管理也更加出色。而且，这种综合性方法还能控制前期的投入成本，包括库存管理、开发时间等，可谓一举多得。

这篇文章就来探讨分布式电源网络的必要性，以及POL电源设备在其中扮演的关键角色。然后，我们会重点剖析TDK公司的一类POL DC/DC转换器——它正是利用先进的封装技术来实现上述性能指标的。文章会详细拆解它的突出特性，并展示设计者如何用它来应对POL供电的那些棘手需求。

为什么需要 POL DC/DC 转换器电源

如今的计算机、服务器和其他数字设备，越来越依赖FPGA、ASIC这类先进集成电路。它们有一个特点：系统电源提供的几路电压远远不够用，而且这些电压需要按照特定顺序上电，延迟要尽可能小。系统电源通常只输出几个固定电压，比如1V、3.3V、5V。然而，一个典型的FPGA需要的电压范围却是1.2V到2.5V（图1）。

图 1：典型的 FPGA 需要多个电压用于处理器内的特定功能。图中所示处理器使用八个专用电源输入，有三个不同的电压。（图片来源：Art Pini）

至少，FPGA的内核和I/O部分是分开供电的。例子中的FPGA，内核运行在1.2V，I/O运行在2.5V。除此之外，它的辅助电路还需要额外的六路电源。显然，要把这么多路电源都布置在FPGA旁边，对PCB布局来说是个不小的挑战。更不用说散热了——电源模块必须做得又小、效率又高才行。

专利技术实现了独特的系统集成

为了把尺寸压下来，TDK为POL DC/DC转换器设计了一种完全不同的方案。它没有采用传统的并排分立元件布局，而是使用了3D集成方式，核心是它们的半导体嵌入基底（SESUB）系统级封装（SiP）技术。具体来说，是将PWM控制器和MOSFET这类高性能半导体嵌入到一块250微米（µm）厚的电路板基底中，构成一个降压转换器。电路的输出电感和电容也一起集成到这个3D布局中，最终形成一个超紧凑、散热也更好的封装（图2）。

图 2：专利的 SESUB 技术将一个先进的电源控制器 IC 和 MOSFET 集成到一个 250 µm 的基底中，与电路输出电感和电容一起构成一个高度集成的 DC/DC 转换器模块。（图片来源：TDK Corporation）

一个独特的 POL 电源解决方案

基于SESUB技术，TDK推出了μPOL（读作“micro-POL”）系列微型DC/DC电源模块。该系列型号为FS140x-xxxx-xx，共有19种选择，输出电压覆盖5V、3.3V、2.5V、1.8V、1.5V、1.2V、1.1V、1.05V、1V、0.9V、0.8V、0.75V、0.7V和0.6V。根据不同型号，它们能支持3到6安培（A）的连续负载电流，而封装尺寸仅为惊人的3.3mm x 3.3mm x 1.5mm（图3）。

图 3：μPOL DC/DC 转换器尺寸只有 3.3 x 3.3 x 1.5 mm，却可以处理高达 15 瓦的功率。（图片来源：TDK Corporation）

得益于这个独特的物理设计，该系列DC/DC转换器能够实现每平方毫米高达1瓦的功率密度。也就是说，这个小不点封装可以处理高达15瓦的功率。

它的标称输出电压出厂偏差控制在±0.5%以内。模块还配备了一个I²C接口，方便本地控制。输出电压可以在预设额定值的基础上，以±5毫伏（mV）的步进进行微调。

FS1406 μPOL 转换器内部结构一览

来看FS1406-1800-AL这款1.8V DC/DC转换器的功能框图，你会发现尽管它尺寸极小，但内部集成的电路功能相当复杂（图4）。

图 4：FS1406-1800-AL DC/DC 转换器的功能框图展示了电路的复杂程度，包括内部 PWM、I²C 端口、控制逻辑和输出 MOSFET。（图片来源：TDK Corporation）

FS1406-1800-AL的标称输出是1.8V，能够连续带6A的负载。它的输出电压可以通过I²C在0.6V到2.5V范围内编程设定。输入电压范围是4.5V到16V，工作温度范围为-40℃到+125℃。

这款DC/DC转换器的核心是一个专有的PWM调制器，专为快速瞬态响应而设计。它的工作频率与输出电压成正比，而且内部已经做好了稳定性补偿，能够匹配各种输出电容类型，不需要额外增加外部补偿网络——可以说是“即插即用”。调制器的PWM输出直接驱动功率MOSFET的栅极。别忘了，输出滤波电感也封装在里面了，进一步减少了外部元件。

特别值得注意的是，FS1406内部还集成了一个低压差（LDO）稳压器，大约输出5.2V，专门给内部电路和MOSFET供电。

另外，设计者务必留意它内置的保护功能，包括：软启动保护、“电源良好”状态线、过压保护、预偏置启动、带自动恢复的热关断，以及带打嗝模式的热补偿过流保护。如果检测到过流事件，打嗝模式会在一段固定时间内关断电源，然后重复这个“关断-重试”序列，直到故障消除。

I²C接口除了用来设置输出电压，还可以配置系统优化参数，比如启动和保护功能的相关参数。

典型应用

FS1406系列是完全集成的，出厂时已经微调到目标电压，所以不需要额外的输出分压器。不过实际应用还是需要加一个最小值的输出电容，来保证可接受的输出纹波和负载调整率。输入电容也不能省，用来满足输入电流要求。图5展示了最少需要的外围元件。

图 5：在一个典型的应用中，FS1406 μPOL DC/DC 转换器系列至少只需要增加输入和输出电容。（图片来源：TDK Corporation）

输入和输出电容建议选用低等效串联电阻（ESR）的多层陶瓷电容。关于具体的电容值计算，FS1406的规格书中有详细指导。

评估板帮助设计者快速上手

对于1.8V版本的μPOL转换器，TDK提供了EV1406-1800A评估板。这块板子实现了一个1.8V输出、12V输入的DC/DC转换器设计，输出电流范围是0到6A，板子尺寸为63mm x 84mm x 1.5mm（图6）。

图 6：EV1406-1800A 评估板的尺寸为 63 x 84 x 1.5 mm；μPOL DC/DC转换器以黄色突出显示，以吸引人们注意这个尺寸微小的器件。（图片来源：TDK Corporation）

考虑到μPOL的尺寸和供电能力，你可以在FPGA或ASIC周围轻松安装多个这样的器件。这块评估板除了提供一个设计实例外，还预留了通孔元件位置，方便用户自己试验不同的输入、输出电容值。板上还有一个排针，用来选择FS1406-1800的内部偏置电源还是外部电压源。另一个排针则方便连接到I²C接口。

I²C 编程加密狗

作为设计辅助工具，TDK还提供了TDK-MICRO-POL-DONGLE I²C编程板。它可以用来以±5mV的步进微调输出电压，还能配置系统保护参数。这个加密狗配合TDK提供的免费GUI软件包一起使用，调节起来非常方便。

结语

对于那些需要高可靠性、高集成度的POL配电方案，同时又必须把对电路板面积的影响降到最低的设计者来说，TDK μPOL系列的19款DC/DC转换器，为各种应用场景提供了恰到好处的选择。该系列涵盖了14种常见的输出电压水平，每个电压都能通过I²C端口以±5mV的步进进行精细调节。μPOL获得专利的独特架构——基于SESUB技术——最终实现了高功率密度和最少的外围元件需求，这才是它真正的价值所在。

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