利用動態功率控制抑制電流輸出數位類比轉換器的過熱問題

針對拉/灌電流數位類比轉換器（IDAC）在驅動負載時因電壓差導致功耗與過熱問題，本文提出動態功率控制機制，結合單電感多輸出（SIMO）技術的DC-DC架構，精準調整電源電壓，有效降低晶片內部功耗，並且提升系統效率與可靠性。

當拉/灌電流數位類比轉換器（IDAC）驅動負載時，通道電源電壓（PVDD）和輸出負載電壓的差值會以電壓降的形式作用於負載上。這會導致晶片內功耗，進而造成晶片溫度過高，不僅影響可靠性，還可能降低系統整體效率。

為了解決上述問題，本文介紹一種簡易的動態功率控制方法。同時透過採用整合ADI單電感多輸出（SIMO）技術的DC-DC轉換器，有助於縮小解決方案尺寸。藉由動態功率控制，IDAC電源電壓維持在極低水準，確保IDAC通道在任何給定輸出電流和負載電壓下都能正常運行，進而儘量降低晶片內功耗。

原理

IDAC的輸出級

圖一顯示IDAC的簡化輸出級。需要注意的是用於拉（灌）電流的輸出PMOS（NMOS）驅動級。MOS級的源極連接到負載，因此負載電壓決定了IDAC的工作狀態。為了用精準的電流驅動負載，負載電壓應該夠低（對於灌電流來說應該夠高），以使輸出元件保持飽和狀態，進而維持高輸出阻抗。

圖一 : IDAC的輸出級ooo

熱約束

因此，IDAC的輸出級在提供輸出電流的同時，會消耗全部的電壓餘裕，即電源電壓與負載電壓的差值。這會導致輸出級產生功耗，進而使元件溫度升高。晶片內功耗就是餘裕電壓與輸出電流的乘積。

晶片內功耗會導致晶片的接面溫度上升至建議的工作限值以上，對具有高通道密度或較高環境溫度的系統而言可能是個大問題。

假設一個IDAC通道為10 Ω負載提供最大300 mA的輸出電流，IDAC電源PVDD為3.5 V，相應的負載電壓V_OUT為3 V，如圖一所示。因此，餘裕電壓為0.5 V，晶片內功耗約為0.5 V × 300 mA = 0.15 W。如果隨後讓IDAC通道提供低於滿量程的電流，或者降低負載阻抗，則負載電壓會降低，多餘的餘裕會作用在輸出MOS級上，表現為晶片內散熱。

元件接面溫度與功耗的關係如公式1所示。

T_J = (P_DISS x θ_JA + T_A (1)

其中的T_J是接面溫度。P_DISS是晶片內功耗。θ_JA是結熱阻。T_A是環境溫度。

也可以從另一個角度來看待公式1：對於設定的功耗，可以確定元件所能承受的最高環境溫度，如公式2所示。

T_A(MAX) = T_J(MAX) - (P_DISS x θ_JA) (2)

對於49接腳WLCSP封裝，最大接面溫度T_J(MAX) 不能超過115°C，該封裝的熱阻θ_JA為30°C/W。在上例中，單個IDAC通道的內部功耗P_DISS為0.15 W，故溫升為0.15 W × 30°C/W = 4.5°C。最高安全環境溫度降低至110.5°C。

如果單一封裝中有四個通道，每個通道的內部功耗為0.15 W，則晶片內總功耗為0.6 W。四個通道導致的溫升為P_DISS× θ_JA = 0.6 W × 30°C/W = 18°C。因此，最高安全環境溫度進一步降低，僅有97°C。

在目前的光通訊系統中，通道密度要求不斷提高，97°C的T_A(MAX) 顯然會成為終端應用中的一個問題。在單一電路板或系統中，通常使用多通道電流輸出DAC來驅動光負載，例如雷射二極體、矽光放大器和矽光電倍增管。此外，高密度設計可能會導致系統溫度顯著升高。

動態功率控制

使用動態變化的PVDD電源電壓可以緩解晶片內功耗過大的問題，此種方法也被稱為動態功率控制（DPC）。DPC力求根據任何特定的輸出電流和負載電壓，提供剛好能夠保證IDAC通道正常工作的PVDD電源電壓。

DPC有多種不同的實現方法。一種方法是利用ADC感測負載電壓，再由微控制器計算所需的PVDD電壓。然後，該電源電壓可由另一個電壓或拉/灌電流DAC設定，甚至由所用IDAC的另一個通道來設定。

DAC可以透過多種方式來改變PVDD。圖二和圖三分別顯示利用電壓和電流輸出DAC來調節開關模式穩壓器的輸出，該穩壓器具有可程式化輸出和回饋（FB）節點。

圖二 : 利用電壓輸出DAC改變DC-DC轉換器的輸出

圖三 : 利用拉/灌電流DAC改變DC-DC轉換器的輸出

IDAC AD5770R動態功率控制的簡單實現方案，使用精密類比微控制器ADuCM410作為主機，並採用SIMO開關穩壓器MAX77655。

圖四 : 動態功率控制解決方案的實現

對於ADI的其他IDAC系列，可以採用ADI的其他開關穩壓器來實現這種解決方案。MAX77655使用I2C匯流排控制其輸出電壓，因此不需要前面提到的DAC。

測試動態功率控制

圖四顯示了用於展示動態功率控制優勢的完整系統設計。SIMO穩壓器通道用於為IDAC的各個PVDD電源供電。主機微控制器用於控制穩壓器輸出和IDAC輸出電流。IDAC內建診斷多工器，可導出每個通道的輸出電流和負載電壓。主機控制器的內建類比數位轉換器（ADC）用於感測IDAC的多工輸出並將其數位化。

DPC演算法有多種形式，但大致可以分為兩類：一類用於IDAC驅動已知阻抗的情況，另一類用於IDAC驅動未知或變化阻抗的情況。

對於已知阻抗，微控制器可以透過計算得知所需的最小電源電壓，並相應地設定PVDD電源電壓。

對於未知阻抗，或者更常見的是，對於阻抗隨溫度而變化的負載，主機控制器可以在PVDD電源電壓夠高的時候，首先感測負載電壓。

然後，控制器可以將PVDD電源電壓降至最優值，即負載電壓和最小餘裕電壓之和。此步驟可以在每次IDAC通道數位碼改變時觸發，或者以固定的時間間隔觸發，具體觸發方式取決於最終應用的需求。

無論採用何種方法，值得注意的一個關鍵規格是IDAC的最小餘裕電壓規格。PVDD電源電壓和負載電壓的任何差異都會作用在IDAC輸出級上，導致晶片內散熱。

結果

出於展示目的，圖五僅繪製一個IDAC通道（IDAC5）的結果，其滿量程電流範圍為100 mA，用於驅動22 Ω負載。需要注意的是，該IDAC的最小（PVDD–AVEE）電源要求為2.5 V，最小餘裕電壓為0.275 V。主機微控制器上運行的韌體程式碼必須遵守這些限制。

圖五 : 晶片內功耗比較及PVDD電源電壓

晶片內功耗利用PVDD電源電壓和負載電壓的差值來計算。我們計算了兩種情況下的功耗：一種是有DPC，一種是沒有DPC。在沒有DPC的情況下，PVDD電源電壓固定在2.5 V，AVEE = 0 V。

透過測量開關穩壓器3.3 V輸入端和IDAC的AVDD接腳的電流，還可以得到系統的總功耗。圖六顯示在0 mA至100 mA的整個電流範圍內，系統從3.3 V電源消耗的總功率。

圖六 : 有DPC和無DPC兩種情況下的系統總功耗

圖七和圖八顯示在PVDD和IDAC通道接腳上觀察到的漣波圖。IDAC由開關穩壓器輸出直接驅動，因此預計會出現一定量的漣波，具體大小取決於IDAC的交流電源抑制比（PSRR）規格。交流PSRR衡量輸出電流對DAC電源交流變化的抑制能力。

如果應用需要，可以優化SIMO的輸出電容和/或在SIMO PMIC輸出端使用濾波器，進而進一步消除漣波。這些曲線圖是在SIMO輸出端和IDAC電源接腳之間使用LC濾波器後獲得的。建議使用低ESR的電感，因為IDAC可以提供或吸收大量電流。

圖七 : 使用交流耦合輸入的IDAC5 100 mA範圍的滿量程漣波圖（交流耦合）

圖八 : 使用交流耦合輸入的IDAC5 100 mA範圍的半量程漣波圖（交流耦合）

建置方案

根據最終應用，硬體建置可以採用不同的形式。圖十一顯示兩種方案：一種採用單極性電源，僅有MAX77655（頂部）；另一種採用雙極性電源，外加DC-DC轉換器ADP5073（底部）以提供負電源。這兩種情況都沒有顯示微控制器。兩種方案精巧，尺寸分別為1.275" × 0.605"和1.502" × 0.918"。兩種方案均未經過評估，僅用於展示解決方案的精巧性。結果是使用分立電路板獲得的。圖九和圖十顯示相關解決方案的3D渲染效果。

圖九 : 採用單極性電源的最終解決方案的3D效果圖

圖十 : 採用雙極性電源的最終解決方案的3D效果圖

圖十一 : 使用SIMO PMIC作為電源解決方案的佈局示例。（上）單極性電源；（下）雙極性電源。

結論

根據本文可得知，動態功率控制能夠減少電流輸出DAC的晶片內功耗，並降低總功耗，同時不會對負載運行造成不利影響。SIMO拓撲的開關穩壓器是驅動AD5770R等IDAC的理想解決方案，而且在佈局上非常精巧，能效也很卓越。

（本文作者為ADI 產品應用工程師 Suraj Pai 及資深應用工程師 Vikash Sethia）