匯總DC/DC穩(wěn)壓器模塊時必須注意的錯誤

設(shè)計人員一直在尋找合適的即用型替代品，以提供 1 至 10 安培中等強度電流范圍的低壓 DC 輸出軌，同時滿足基本的性能目標以及效率和法規(guī)要求。雖然供應(yīng)商現(xiàn)在提供許多合適的小型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器/穩(wěn)壓器來滿足這一需求，但是不應(yīng)假定它們只是可以忽視的“替代品”。

為什么這樣說？盡管它們看起來并不復雜，但這些穩(wěn)壓器仍然是為負載提供中等強度電流的電源。就模塊而言，所有設(shè)計人員需要做的只是添加幾個外部的非關(guān)鍵無源器件。但是，這種便利可能會讓設(shè)計人員自以為是，導致他們忽略影響所有電源及其電源軌的基礎(chǔ)要素。

本文將明確并討論這些重要的基礎(chǔ)要素。然后，本文還將介紹多種模塊化電源解決方案，并說明如何應(yīng)用這些核心原則，以充分利用每個解決方案。

識別電源設(shè)計的“陷阱”

首先，有一些好消息。這些設(shè)備的運行效率相對較高，通常在 80% 至 95% 之間，具體取決于特定的型號和工作點。雖然輸出電流處于中等水平，但設(shè)計人員仍需要進行基本的熱分析和散熱分析，以確保器件保持在額定溫度范圍內(nèi)，并且不會為系統(tǒng)增加過多的冷卻負擔。

有五個主要的關(guān)注點：1) IR 壓降；2) 隔離；3) 輸出可調(diào)性；4) 開關(guān)噪聲；以及 5) 低阻抗返回路徑。第一步，在選擇特定的 DC/DC 穩(wěn)壓器之前，設(shè)計人員應(yīng)該先驗證非穩(wěn)壓 DC 電源能夠提供足夠的電流，同時要考慮到可能還有其他 DC/DC 單元也依賴于該電源。此外，還要確保電源的動態(tài)性能足以滿足較高的電流瞬態(tài)負載需求，主要是因為這些穩(wěn)壓器沒有大容量輸出電容器。

IR 壓降：負載太遠了嗎？

在確定元器件、I/O 端口和潛在熱源的位置時，設(shè)計人員通常必須面對各種彼此沖突的印刷電路板布局要求。就這方面而言，電源穩(wěn)壓器可能就是一個具有挑戰(zhàn)性的設(shè)備。理想情況下，它應(yīng)當靠近負載放置，以最大限度地減少 IR 壓降和噪聲拾取，同時減少浪費空間的大面積印刷電路板走線（用于通過電流）的需求。

IR 壓降最容易被忽視，但卻是最容易計算的。即使 DC/DC 穩(wěn)壓器輸出與其負載之間僅有幾毫歐電阻，也可能導致這些單元的供電電壓下降 10 毫伏或以上。也許這看似微不足道，但當標稱 DC 電源軌僅為幾伏時，就可能產(chǎn)生顯著的影響。

因此，印刷電路板走線的尺寸必須適當，也可以安裝在單獨的印刷電路板上。應(yīng)當考慮使用細母線。母線似乎是一種古老的解決方案，但它們非常有效，原因有兩點。首先，它們能大幅降低 IR 壓降。其次，以較少的額外 BOM 成本即可使用雙層母線，從而獲得優(yōu)異的直流接地返回路徑。

為了盡可能減少 IR 壓降；建立更好、更低電阻的系統(tǒng)接地；并最大限度減少可能影響較高頻率性能的接地結(jié)構(gòu)中的寄生效應(yīng)和非直流阻抗，這樣做與高壓側(cè) DC 電源軌本身一樣重要。當然，無論物理 DC 電源軌和接地如何，重要的是要讓低阻抗、低值旁路電容器盡可能靠近 IC 電源引腳或引線，同時最大限度減少電源軌上的噪聲相關(guān)問題。

在某些情況下，IR 壓降仍然是不可接受的，因此需要使用包含遠程檢測的專用穩(wěn)壓器架構(gòu)。這里，穩(wěn)壓器具有兩個用于電流提供和返回的傳統(tǒng)端子，此外還具有兩個連接在負載上的檢測端子，用于測量該負載處的實際電壓。該穩(wěn)壓器使用此檢測值作為反饋來調(diào)節(jié)其輸出電壓，以補償壓降的影響（圖 1）。

圖 1：遠程檢測允許直流電源直接在負載處測量實際的軌電壓，并根據(jù)需要動態(tài)補償任何 IR 壓降或其他變化。（圖片來源：Analog Devices）

例如，Linear Technology Corp/Analog Devices 的LTM4601μModule?可通過 4.5 到 20 伏的 DC 輸入提供 0.6 到 5.0 伏之間的最高 12 安培的大電流。在這種較高的電流之下，IR 壓降可能會影響系統(tǒng)性能和行為一致性。使用遠程檢測，該模塊可以校正印刷電路板在 VOUT和 VLOAD之間的 IR 壓降電壓損失，以及接地返回路徑。因此，盡管線路、負載和溫度存在變化，但 LTM4601 仍可確保負載的電壓精度達到 ±2.0% 或更高。

但請注意，遠程檢測并不是靈丹妙藥。實際上，它在電源和負載之間放置了一個大型反饋回路。如果您將電源穩(wěn)壓器視為一種功率運算放大器，那么此反饋環(huán)路會將電源暴露在噪聲和 EMI/RFI 之下，從而影響閉環(huán)性能。甚至，這種環(huán)路的存在還可能導致穩(wěn)壓器不穩(wěn)定和振蕩。因此，在實現(xiàn)遠程檢測時必須仔細考慮布局。

另一種最小化 IR 影響的方法是在靠近各個負載的位置使用多個較小的穩(wěn)壓器，而不是集中在某個位置放置一個較大的穩(wěn)壓器。這會產(chǎn)生一個關(guān)于有形“成本”的經(jīng)典權(quán)衡問題，即使用兩個或以上較小、較便宜的單元還是一個較大、較昂貴的單元。雖然 BOM 成本差異是可以量化的，但選擇一個大型器件與多個小型器件的技術(shù)影響則難以評估，需要分析以及判斷和經(jīng)驗。

例如，Texas Instruments的LMZM33602電源模塊采用相對較小的扁平封裝，將降壓轉(zhuǎn)換器與功率 MOSFET、屏蔽式電感器和無源器件組合在一起，可提供 1 至 18 伏電壓，電流最高可達 2 安培（圖 1）。它只需要四到五個非關(guān)鍵的外部無源元件，并消除了穩(wěn)壓器設(shè)計的環(huán)路補償和磁性問題。

圖 2：使用多個像 Texas Instruments 的 LMZM33602 這樣較小尺寸、較低電流的穩(wěn)壓器可能會增加 BOM，但同時也可以簡化布局并在 IR 壓降和噪聲方面改善性能。（圖片來源：Texas Instruments）

LMZM33602 采用 QFN 封裝，尺寸僅為 9 mm × 7 mm × 4 mm，可輕松貼裝在負載元件或子電路附近。這樣做可以通過兩種方式最小化 IR 壓降。

首先，它靠近負載，可降低電源軌電阻和噪聲拾取。其次，輸出電流僅為幾安培，也降低了 IR 壓降。因此，與使用單個較大的 10 安培單元相比，部署多個此類單元可以提供更大的布局靈活性、降低 IR 壓降、減少噪聲拾取、提高分布式散熱以及其他系統(tǒng)級優(yōu)勢。

隔離：有時是可選的，但通常是強制性的

對電流隔離的需求（即電路的兩個部分之間沒有任何電阻路徑）可能在某種程度上是有利的，或者是強制性。消除系統(tǒng)接地回路也許有所幫助，因為可能需要連接“浮動”（非接地）變送器，或者必須這樣做以確保高壓電路與醫(yī)療器械用戶之間的安全性。對于許多設(shè)計人員而言，這種隔離的必要性或作用要么不明確，要么難以理解。

先不考慮基本原理如何，有一個經(jīng)常被忽視的事實是隔離子電路也需要隔離電源，該電源通常保持相對較低的電流水平。過去，即使對低電流隔離電源的需求也需要大量的電路板空間，與其他功能相比，其 BOM 成本通常過高。選擇“自建”的途徑而不是“購買”通常是不可行的，因為隔離設(shè)計在設(shè)計或裝配方面都有很大影響。此外，對于許多應(yīng)用而言，需要對隔離設(shè)計和物理實現(xiàn)進行測試和認證以滿足行業(yè)和監(jiān)管標準。這是一個昂貴而復雜的過程。

不過，由于小巧且完全合規(guī)和經(jīng)過認證的隔離式 DC/DC 模塊（例如 Analog Devices 的LTM8047，圖 3）的出現(xiàn)，設(shè)計人員可以在很大程度上克服這個問題。使用隔離反激拓撲，可提供 725 VDC的隔離。

圖 3：元器件、拓撲結(jié)構(gòu)和封裝方面的進步使得 Analog Devices 的 LTM8047 穩(wěn)壓器模塊能夠提供電流隔離，滿足其額定電壓對應(yīng)的所有相關(guān)監(jiān)管標準，但在用戶看來，它似乎是傳統(tǒng)的非隔離器件。（圖片來源：Analog Devices）

在其尺寸為 11.25 mm × 9 mm × 4.92 mm 的微小 BGA 封裝內(nèi)，封裝了開關(guān)控制器、電源開關(guān)和所有支持元器件，以及隔離變壓器的核心元件（圖 4）。它可以從 3.1 至 32 伏的寬輸入電壓范圍提供 2.5 至 12 伏的輸出（始終處于降壓模式）。盡管它只能提供中等強度電流，在 2.5 伏直流電壓下為 440 毫安 (mA)，但這足以為許多隔離的子電路和變送器前端供電。

圖 4：由于物理定律和相關(guān)法規(guī)要求，提供隔離時要求在輸入和輸出之間存在用于物理隔離的間隙；Analog Devices 的 LTM8047 尺寸支持 750 伏特的隔離，足以滿足許多應(yīng)用場合的需求。（圖片來源：Analog Devices）

可調(diào)節(jié)性：有用，但要小心

這些現(xiàn)成的 DC/DC 穩(wěn)壓器很少提供固定的預設(shè)電壓。用戶可以使用由一對電阻器構(gòu)成的分壓器來設(shè)置電壓。這樣做有諸多優(yōu)點：可以在許多位置使用相同的穩(wěn)壓器，從而簡化了 BOM；輸出電壓可以“上調(diào)”幾 mV 以補償 IR 壓降（在許多情況下，這不是推薦的做法，但十分常見）；并且可以向上調(diào)節(jié)輸出電壓以適應(yīng)模擬電路中的所需設(shè)置，尤其是射頻，其中涉及指定性能與功耗的權(quán)衡（高電壓提供更好的 SNR 和更寬的帶寬，但代價是會增加功耗）。

然而用戶需要認識到，必須在有關(guān)穩(wěn)壓器標稱 DC 輸出電壓的任何計算中考慮到電壓設(shè)置電阻器的穩(wěn)定性和溫度系數(shù)以及熱工作環(huán)境。在較高溫度下，DC 電源軌可能會漂移出負載規(guī)格范圍。因此，為此功能選擇具有低溫度系數(shù)的電壓設(shè)置電阻可能是明智的或是必要的，而不是使用像上拉電阻這樣的通用器件，后者可能只適合其他非關(guān)鍵功能。

某些 DC/DC 穩(wěn)壓器提供的另一項設(shè)置功能是選擇開關(guān)頻率（所有這些穩(wěn)壓器都使用開關(guān)拓撲；出于效率和尺寸的原因，它們都不是低壓差穩(wěn)壓器，即 LDO）。例如，Maxim Integrated的MAX17536可通過單個電阻進行設(shè)置，工作在 100 千赫 (KHz) 至 2.2 兆赫 (MHz) 的寬頻率范圍內(nèi)（圖 5）。這樣便可對其進行設(shè)置，以避免其開關(guān)噪聲對存在頻率重疊的附近電路產(chǎn)生影響，例如 550 至 1600 kHz 的 AM 無線電頻段，或者規(guī)避開包含相關(guān)信號的特定窄帶。

圖 5：單個電阻決定了 Maxim MAX17536 穩(wěn)壓器在 100 kHz 至 2.2 MHz 寬頻帶內(nèi)的開關(guān)頻率，因而能夠靈活地將電路或信號干擾降至最低。（圖片來源：Maxim Integrated）

請注意，電阻和開關(guān)頻率之間的關(guān)系是非線性的，且不是太精確。由于此原因及其他一些原因，MAX17536 可以設(shè)置為與外部電源同步，而不是按其電阻設(shè)置的頻率工作。這樣還能避免與系統(tǒng)中的其他時鐘源發(fā)生意外的頻率混合以及由此產(chǎn)生的拍頻，后者可能導致細微且難以診斷的問題。

總結(jié)

這些完整、小巧的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可消除設(shè)計低壓、中等強度電流（1 安培或以下至 10 安培之間）電源時存在的大部分風險和棘手問題。然而，與任何元器件一樣，會有一些公認的基本規(guī)則，并且通常只有遵循這些規(guī)則才能實現(xiàn)成功安裝，發(fā)揮其全部潛力并避開“陷阱”。