微型模塊為DC/DC電源穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)提供便捷通道

使用現(xiàn)在的組件、參考設(shè)計(jì)、工具和資源，設(shè)計(jì)出一個(gè)基本上“還算可以”的直流-直流 (DC/DC) 電源穩(wěn)壓器 (有時(shí)稱為功率轉(zhuǎn)換器或電源) 并不難。設(shè)計(jì)師只需將適當(dāng)?shù)?a target="_blank">控制器集成電路 (IC)、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 及其驅(qū)動(dòng)器和一些無(wú)源器件組合在一起，理論上整個(gè)設(shè)計(jì)就完成了，能夠在對(duì)直流輸入電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓的同時(shí)輸出直流電壓 (圖 1)。

圖1：原則上講，穩(wěn)壓器的功能簡(jiǎn)單明了，就是用一個(gè)比較穩(wěn)定的直流電源，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的穩(wěn)壓后輸出直流電壓提供給系統(tǒng)使用。

但這只是理論上的說(shuō)法，而我們還面臨著嚴(yán)酷的現(xiàn)實(shí)，因?yàn)椤斑€算可以”的設(shè)計(jì)已經(jīng)不夠用了。雖然這樣的設(shè)計(jì)能夠滿足一些基本的性能參數(shù)，比如輸出精度、穩(wěn)壓效果等，但是要記住，這些“基本”參數(shù)只是現(xiàn)代穩(wěn)壓器必須具備的一小部分。此外，現(xiàn)在對(duì)動(dòng)態(tài)性能、各種負(fù)載范圍下的效率以及電磁干擾/射頻干擾 (EMI/RFI) 等各方面的要求也越來(lái)越高，這些要求往往是監(jiān)管機(jī)構(gòu)強(qiáng)制規(guī)定的，必須滿足這些要求，產(chǎn)品才能獲準(zhǔn)上市。

我們來(lái)討論一下電源穩(wěn)壓器眾多要求中的一部分，首先要考慮的當(dāng)然是靜態(tài)規(guī)格，即在具體的輸出電壓下要能夠提供足夠的電流，公差在1%到3% (典型值) 之間，有些情況要求更嚴(yán)格。然后是動(dòng)態(tài)性能需要對(duì)線路和負(fù)載的變化作出快速響應(yīng)，但是要想讓波動(dòng)或者不穩(wěn)定性降到最低，穩(wěn)壓器還必須具備針對(duì)各種故障的保護(hù)功能，比如過(guò)電流 (包括負(fù)載短路)、過(guò)電壓/欠電壓以及過(guò)熱等情況。

出于多種原因，效率和EMI/RFI標(biāo)準(zhǔn)通常是最難達(dá)到的。首先這些標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)嚴(yán)格，其次它們隨國(guó)家和地區(qū)而異，因此需要全面認(rèn)真的理解。另外，電源的效率通常需要滿足激活、待機(jī)及其他操作模式下的不同要求，進(jìn)一步加劇了困難程度。效率和EMI/RFI性能必須由相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室或機(jī)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試和認(rèn)證。PCB布局和物料清單 (BOM) 的微小變化都會(huì)影響效率和EMI/RFI性能，導(dǎo)致可能需要重新測(cè)試和認(rèn)證。

除了這些基本性能要求外，穩(wěn)壓器還必須體積小、成本低，BOM器件簡(jiǎn)單，電源相關(guān)組件的生產(chǎn)過(guò)程中很少或沒(méi)有特殊組裝步驟 (特別是手工操作)，比如電容、電感、MOSFET或IGBT (絕緣柵雙極晶體管) 以及散熱器等。有許多要求是相互沖突的，因此權(quán)衡分析和折衷必不可少。

從功率水平開(kāi)始

當(dāng)然并不是所有電源穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)都很艱巨，但隨著功率/電流額定值的增加，設(shè)計(jì)和自己設(shè)計(jì) (MIY) 的難度也會(huì)不斷增加。對(duì)于提供1A或2A以下電流的低功率電源，設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單。這種設(shè)計(jì)可以使用市場(chǎng)上提供的許多低壓差 (“線性”) 穩(wěn)壓器 (LDO) 或開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器；這些組件的性能適中，大多數(shù)情況下都能夠滿足設(shè)計(jì)性能參數(shù)。

中等功率范圍的設(shè)計(jì)所面臨的挑戰(zhàn)在不斷增加，尤其電流范圍在2A到10A之間的，隨著電流和元件變得越來(lái)越大，之前小型化設(shè)計(jì)的問(wèn)題和缺陷就被逐步放大，廠家提供的參考設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)測(cè)試和驗(yàn)證，一開(kāi)始采用這些設(shè)計(jì)固然方便，但是并不保證適用所有的場(chǎng)景。

對(duì)于采用數(shù)十安培或者更高電流的應(yīng)用，其電源穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)和制造困難會(huì)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。這些設(shè)計(jì)需要采用更大體積的元件、具有更嚴(yán)重的功率耗散、更高的IR壓降，并且增加了EMI/RFI潛在問(wèn)題。總之，有太多的因素使穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)變得困難。一些組件可能需要安裝支架或者螺絲，需要更大的散熱器以及定向氣流通道。在更高電流下進(jìn)行性能測(cè)試也很困難，因?yàn)橐獪y(cè)試設(shè)計(jì)是否符合更嚴(yán)格的效率和EMI/RFI要求。

如果電源必須進(jìn)行電氣隔離 (安全或性能方面通常要求這個(gè))，那么設(shè)計(jì)必須符合高壓隔離標(biāo)準(zhǔn)以及各子部件之間的爬電距離和間隙要求。

因此中高功率的穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)人員往往面臨著產(chǎn)品面市需要更長(zhǎng)的時(shí)間，更昂貴的物料成本以及高度的不確定性和風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)榉€(wěn)壓器的性能在終端產(chǎn)品設(shè)計(jì)中顯得越來(lái)越重要，尤其涉及到產(chǎn)品的接受度以及市場(chǎng)銷量方面。事實(shí)上如果只提供一個(gè)“空白的”設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)而沒(méi)有一個(gè)好的參考設(shè)計(jì)作為出發(fā)點(diǎn)那么無(wú)疑會(huì)面臨艱巨的挑戰(zhàn)，即使有參考設(shè)計(jì)，隨著電流 (或功率) 的增加，MIY之路上也會(huì)遇到長(zhǎng)度、復(fù)雜性以及合規(guī)等問(wèn)題。

當(dāng)然除了MIY之外，還有一個(gè)選擇，那就是購(gòu)買完整的穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)上，自己設(shè)計(jì)和購(gòu)買的邊界是根據(jù)2A和10A電流來(lái)劃分的：低于2A的自己設(shè)計(jì)，高于10A的購(gòu)買。至于2A和10A之間的是自己設(shè)計(jì)還是購(gòu)買，取決于折衷權(quán)衡的結(jié)果。在大多數(shù)情況下，購(gòu)買選項(xiàng)通常要考慮各種模塊的體積和額定值等，而且一般都是 (但不總是) 封裝在環(huán)氧樹(shù)脂的黑盒中。

這些模塊會(huì)提供基本的功能和必需的性能，但是一般體積相對(duì)較大、比較重、不好安裝、不靈活，而且僅有少數(shù)模塊可供選擇。

新的購(gòu)買選擇提供了新視角

除了“自己設(shè)計(jì)”和“購(gòu)買”之外，還有一種替代方案可以解決大部分中端系統(tǒng)以及它們所面臨的日益嚴(yán)格的效率問(wèn)題、EMI/RFI合規(guī)問(wèn)題和殘酷的市場(chǎng)壓力。這個(gè)替代方案就是采用目前隸屬于Analog Devices (ADI) 公司的Linear Technology Corporation (LTC) 所推出的μModule?系列高性能調(diào)節(jié)器。這些嵌入式器件結(jié)合了先進(jìn)的設(shè)計(jì)、組件和封裝，從而克服了模塊化的問(wèn)題以及一些限制。對(duì)于需要MIY的設(shè)計(jì)場(chǎng)景有了更多的選擇，但是只對(duì)那些低于2A的低電流應(yīng)用才有實(shí)際意義。

目前μModule 模塊由100多個(gè)不同的單元組成，共分為15個(gè)系列，擁有30多種微型封裝，提供完全合格的高性能，封裝尺寸從6.25 × 6.25mm到16 × 11.9mm，高度從1.82mm到 5.02mm。每個(gè)μModule都是一個(gè)完全集成的DC/DC電源解決方案，作為完整的系統(tǒng)級(jí)封裝它具有：集成電感、MOSFET、DC/DC穩(wěn)壓器IC和支持組件 (圖3)。它們的輸出電流從2A到20A，電壓從1.8VDC到58VDC。

圖3：每個(gè)μModule都包含必要的電感、MOSFET、穩(wěn)壓器IC以及所有支持組件，它是高度集成的封裝單元 (資料來(lái)源：Linear Technology)

然而μModule單元并不僅僅是簡(jiǎn)單基本的DC-in/DC-out穩(wěn)壓器。目前提供的版本還包含以下功能特性，比如：

兩個(gè)μModule示例展示了功能特性的多樣性

鑒于μModule產(chǎn)品的15個(gè)系列擁有如此多的器件，卻沒(méi)有明確的典型單元或者兩個(gè)類似的例子，因此我們選擇兩個(gè)型號(hào)來(lái)展示多種可用的功能和特性。

LTM8045 (圖4) 是一款DC/DC 轉(zhuǎn)換器，可以通過(guò)簡(jiǎn)單地將相應(yīng)的輸出軌接地，將其配置為SEPIC (單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器) 或反向轉(zhuǎn)換器。在SEPIC配置中，穩(wěn)壓后的輸出電壓可以高于、低于或等于輸入電壓。LTM8045包含功率器件、電感、控制電路和無(wú)源組件。使用它的必要條件是要有輸入和輸出電容以及小電阻來(lái)設(shè)置輸出電壓和開(kāi)關(guān)頻率。其他組件可用于控制軟啟動(dòng)和欠壓鎖定。演示板( 圖5) 簡(jiǎn)化了各種模式和性能評(píng)估的設(shè)置。

圖4：LTM8045是一款支持2.8V–18V輸入的多拓?fù)銬C/DC μModule，在僅降壓、僅升壓或降壓/升壓模式下能夠提供高達(dá)700mA的輸出電流 (資料來(lái)源：Linear Technology)

圖5：演示板允許用戶評(píng)估器件在多種應(yīng)用模式下的性能 (資料來(lái)源：Linear Technology)

LTM8047 (圖6) 是一款隔離型反激式μModule DC/DC轉(zhuǎn)換器，隔離額定值為725VDC。其封裝中包含開(kāi)關(guān)控制器、電源開(kāi)關(guān)、隔離變壓器和所有支持組件。它的輸入電壓范圍是3.1V到32V，輸出電壓是2.5V到12V，全部由一個(gè)電阻來(lái)調(diào)節(jié)。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，只有輸出、輸入和旁路電容是必需的，如演示板 (圖7) 所示。

圖6：使用LTM8047 μModule，用戶可以快速方便地實(shí)現(xiàn)能夠隔離750V直流電的轉(zhuǎn)換器，采用小型化封裝，同時(shí)提供高性能 (資料來(lái)源：Linear Technology)

圖7：演示板還支持用戶使用獨(dú)立的兼容設(shè)計(jì)，而無(wú)需考慮隔離細(xì)節(jié) (資料來(lái)源：Linear Technology)

μModule優(yōu)點(diǎn)：有些明顯，有些不明顯

μModule器件的第一層優(yōu)點(diǎn)非常的明顯：每個(gè)器件都是一個(gè)嵌入式解決方案，省去了頭疼的設(shè)計(jì)問(wèn)題和麻煩，每個(gè)器件都有明確的性能指標(biāo)和效率參數(shù)。用戶可選擇的范圍很大，不必在基本功能或者性能方面做出妥協(xié)，所選擇的器件單元將能夠完全滿足系統(tǒng)的要求。所有關(guān)鍵的設(shè)計(jì)要素都可以提前知道：尺寸、成本和嚴(yán)格的上市時(shí)間，并且每個(gè)器件單元都會(huì)滿足相關(guān)規(guī)則的要求，從而確保效率和安全，因此用戶進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證的時(shí)間成本幾乎為零。

除了這些要素，每個(gè)μModule還附帶用戶手冊(cè)、演示板 (圖8) 等資料。設(shè)計(jì)人員同樣也需要預(yù)先模擬整個(gè)系統(tǒng)的性能，因此每個(gè)μModule都會(huì)附帶LTspice?模型 (圖9和圖10) 以及詳細(xì)的支持文檔，最后每個(gè)μModule都通過(guò)了Linear Technology嚴(yán)格的電氣封裝和熱可靠性測(cè)試，獲得了全面的認(rèn)證。

圖8：每個(gè)μModule都有演示板、用戶手冊(cè)、布局指南和其他支持文檔 (資料來(lái)源：Linear Technology)

圖9：穩(wěn)壓器模型作為系統(tǒng)的一部分非常重要，LTSpice模型和模擬可以用于雙路13A/單路26A之類的常規(guī)設(shè)計(jì)中 (資料來(lái)源：Linear Technology)

圖10：模型的仿真會(huì)展示一些關(guān)鍵特性，比如整個(gè)工作過(guò)程中的效率和功率損失分析 (資料來(lái)源：Linear Technology)

重新定義決策框架

對(duì)于2A以下的DC/DC穩(wěn)壓器，MIY(“自己設(shè)計(jì)”)是明智的：采用LDO、開(kāi)關(guān)IC以及參考設(shè)計(jì)。但對(duì)于2A以上的DC/DC穩(wěn)壓器，MIY方式就會(huì)有一定的風(fēng)險(xiǎn)，時(shí)間成本也難以評(píng)估，特別是對(duì)于效率和EMI/RFI要求非常嚴(yán)格的時(shí)候。

但對(duì)于2A以上的范圍，是存在更好解決方案的，即LTC/ADI μModule 系列 – 擁有15個(gè)產(chǎn)品家族、100種電源產(chǎn)品以及30種封裝選擇 - 能夠幫助設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)快速進(jìn)行電源穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。借助這些單元中的一個(gè)或者多個(gè)可以大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)、驗(yàn)證以及生產(chǎn)，將這些單元集成為一個(gè)高性能的穩(wěn)壓器并且采用微型封裝完全可以滿足系統(tǒng)的需要并通過(guò)驗(yàn)證，從而可以節(jié)省BOM成本，縮短產(chǎn)品上市的時(shí)間并降低系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)。

審核編輯：郭婷