使用可編程電源模塊加速DC／DC穩(wěn)壓器設(shè)計

開關(guān)式 DC-DC 穩(wěn)壓器為電源帶來高效率。雖然市面上有各種優(yōu)質(zhì)的單片穩(wěn)壓器可供選擇，但每款產(chǎn)品的設(shè)計都是為了滿足不同應(yīng)用的需求，而不符合工程師個人的獨特設(shè)計規(guī)格?；蛘哒f，針對特定應(yīng)用優(yōu)化電源需要耗時且昂貴的設(shè)計迭代。

設(shè)計人員需要一個與電源供應(yīng)商交互的 Web 界面，讓他們能夠使用所需的性能參數(shù)來配置電源設(shè)計，然后在敲定設(shè)計后，供應(yīng)商再批量供貨。

本文介紹了使用可配置電源模塊完成此類設(shè)計流程的情況。具體來說，本文將介紹如何利用 MPS 評估套件 （EK） 和基于 Web 的軟件來加速簡單或高級 DC-DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計的設(shè)計過程。

DC-DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計入門

要從頭開始設(shè)計一款降壓開關(guān)穩(wěn)壓器完全沒問題，而且使用相對較少的元器件。例如，基本設(shè)計包括一個晶體管（本質(zhì)上用作開關(guān)）、一個二極管、一個電感器、一個跨輸出端的電容和另一個跨輸入端的電容。然而，對于實際解決方案，可能還需要其他一些元器件，包括電壓基準、誤差放大器、比較器、振蕩器和開關(guān)驅(qū)動器。但很少有工程師選擇采用分立元器件的設(shè)計路線，因為市面上有大量高度集成的單片 DC-DC 穩(wěn)壓器可供選擇，它們經(jīng)過驗證且價格低廉。

根據(jù)輸入輸出電壓、最大負載電流和最大電壓紋波等規(guī)格要求，以及對高級設(shè)計產(chǎn)生作用的效率、瞬態(tài)響應(yīng)和頻率響應(yīng)等因素，選擇一款成熟供應(yīng)商的穩(wěn)壓器往往比較容易。雖然芯片制造商確實提供了一系列令人印象深刻的解決方案，可以滿足大部分規(guī)格的要求，但無法提供完美符合每一種可能情況的器件。設(shè)計人員還有一些工作要做。

工作量取決于單片解決方案的集成程度，但低電流（10 A 以下）設(shè)計通常的著手點是集成了脈沖寬度調(diào)制 （PWM） 控制器、開關(guān)元件（MOSFET 功率晶體管）和旁路二極管的芯片，讓設(shè)計人員指定輸入和輸出濾波電路所需的外部電感器、旁路電容器和其他無源元件。

雖然制造商和其他來源（包括下面的推薦閱讀清單）提供了許多關(guān)于如何基于單片穩(wěn)壓器設(shè)計電源的信息，但這仍然是一個棘手而繁瑣的過程，會涉及計算，然后是數(shù)個周期的硬件原型開發(fā)，用以了解理論電路的實際表現(xiàn)，隨后進行調(diào)整以精確滿足規(guī)格要求。

MPS 提供的可配置電源模塊，為這種耗時的電源設(shè)計過程提供了另一條途徑。

可配置電源模塊簡介

MPS mEZDPD3603A 可配置電源模塊的核心是一個高頻、同步、整流、降壓轉(zhuǎn)換器，帶有 I2C 控制接口和多頁一次性可編程 （OTP） ROM 存儲器，具備 3 A 連續(xù)輸出電流能力。該轉(zhuǎn)換器集成了高壓側(cè)和低壓側(cè)功率 MOSFET、補償網(wǎng)絡(luò)和反饋分壓器。輸出電壓電平、電壓壓擺率、開關(guān)頻率、使能和省電模式均可通過 I2C 接口編程，使設(shè)計人員能夠針對特定設(shè)計優(yōu)化每個輸出。

電流模式運行具有快速、瞬態(tài)響應(yīng)能力，能輕松實現(xiàn)環(huán)路穩(wěn)定。全保護功能包括欠壓鎖定 （UVLO）、過壓保護 （OVP）、過流保護 （OCP） 和過熱保護 （OTP）。

mEZDPD3603A 模塊將工作設(shè)計所需的幾乎所有外圍元器件都加入到此降壓轉(zhuǎn)換器中（圖 1）。

圖 1：MPS mEZDPD3603A 模塊內(nèi)部原理圖。設(shè)計人員只需要指定輸入 （CIN） 和輸出 （COUT） 電容器的值。（圖片來源：MPS）

設(shè)計人員只需增加輸入 （CIN） 和輸出 （COUT） 電容器，即可完成一款全功能 DC-DC 降壓穩(wěn)壓器電源的設(shè)計。從頭設(shè)計時，計算這些電容器的值并不簡單，并且受輸出電壓、負載、占空比和電壓紋波的影響（請參見 Digi-Key 技術(shù)文章“電容器選擇是良好穩(wěn)壓器設(shè)計的關(guān)鍵”）。但如果使用 MPS 模塊，制造商已經(jīng)為設(shè)計人員計算好數(shù)值。最終選擇僅受輸出電壓影響（圖 2 和表 1）。

圖 2： 在 MPS mEZDPD3603A 典型應(yīng)用電路中，R2 用于設(shè)置 I2C 地址，以允許識別系統(tǒng)中的多個模塊。（圖片來源：MPS）

表 1：不同輸出電壓下，圖 2 所示應(yīng)用電路的推薦電容值。（圖片來源：MPS）

如果要在嚴格電磁干擾 （EMI） 法規(guī)所涵蓋的產(chǎn)品中使用電源，可以用由三個電容器和一個電感器組成的 L-C 濾波電路代替輸入電容器。（有關(guān)輸入和輸出濾波電路設(shè)計的更多信息，請參見 Digi-Key 技術(shù)文章“使用低 EMI 開關(guān)穩(wěn)壓器優(yōu)化高效率電源設(shè)計”。）這些元器件的值仍取決于輸出電壓，而制造商再一次給出了答案。（圖 3 和表 2）

圖 3： 帶 EMI 濾波功能以符合 EN55022 B 類標準的 MPS mEZDPD3603A 應(yīng)用電路。（圖片來源：MPS）

表 2：不同輸出電壓下，上述應(yīng)用電路的推薦元器件值。（圖片來源：MPS）

該模塊提供 4.5 至 36 V 的輸入電壓范圍和 0.6 至 12 V 的輸出。電壓精度為 ±1%，線路和負載調(diào)整率（VIN = 24 V，VOUT = 5）為 ±1%。最大電流高達 3 A，輸出電壓紋波（VIN = 24 V，VOUT = 5 V，滿載）為 30 毫伏 （mV）。表 3 總結(jié)了該模塊的性能和效率數(shù)據(jù)，圖 4 顯示了不同效率和負載電流值的 VOUT。

表 3：MPS mEZDPD3603A 性能參數(shù)。（圖片來源：MPS）

圖 4：MPS mEZDPD3603A 在 VIN = 24 V 及 VOUT = 3.3、5 和 12 V 時的效率數(shù)據(jù)。（圖片來源：MPS）

可配置電源模塊評估套件

由于 MPS 模塊包含數(shù)字邏輯電路，因此可以通過更改軟件參數(shù)來修改其工作性能。參數(shù)訪問通過模塊的 I2C 接口來實現(xiàn)，從該接口可以查詢和更改器件 RAM 中的設(shè)置。達到所需的最佳設(shè)置后，OTP ROM 存儲器可以永久存儲這些設(shè)置。

MPS 提供了硬件和軟件工具來支持采用該可配置電源模塊的設(shè)計。主要工具是 PKT-MEZDPD3603A 硬件 EK。該 EK 的尺寸為 64 × 64 毫米 （mm），包括輸入和輸出電容器（如果需要，還可選配 EMI 濾波器），以及一個用于插入可配置電源模塊的連接器。連接模塊后，需要為 EK 連接適當(dāng)?shù)呢撦d和提供所需輸入電壓（4.5 至 36 V）的電源（圖 5）。

圖 5：可配置電源模塊評估套件包括模塊插口，且需要外部電源和負載。（圖片來源：MPS）

該 EK 還需要連接到 PC，以便從 MPS 的 Virtual Bench V3.0 軟件進行配置。為此，該公司提供一個 USB（PC 端）轉(zhuǎn) I2C （EK 端）適配器。USB 電纜將適配器連接到 PC，另一側(cè)則使用 10 針帶狀電纜連接。EK 的 I2C 接口直接連接到模塊的 I2C 引腳，并可從 PC 進行配置（圖 6）。

圖 6：可配置電源模塊 EK 需要電源、負載，并通過 USB 轉(zhuǎn) I2C 適配器連接至 PC。（圖片來源：MPS）

電源模塊編程

將硬件連接至 PC（運行 Windows XP、7 或更高版本）并且計算機上安裝并啟動 Virtual Bench V3.0 后，開發(fā)人員將看到兩個選項：一個是“Simulation & Program”（仿真和程序），此選項允許開發(fā)人員的配置在軟件仿真器上而不是 EK 硬件上運行；另一個是“Direct Programming Mode”（直接編程模式）。下文將重點討論直接編程選項，因為它讓開發(fā)人員能夠直接在 EK 硬件的核心配置模塊。

Virtual Bench V3.0 提供了兩種配置：基本配置和高級配置。在 Basic（基本）配置下，開發(fā)人員可以讀取輸出電壓 （V）、電感值 （μH）、開關(guān)頻率 （kHz） 和工作模式（例如，峰值電流模式）的現(xiàn)有設(shè)置。然后，開發(fā)人員可以對這些設(shè)置進行更改，并使用修改后的數(shù)值對模塊的 RAM 進行編程，以及對模塊加電以檢查更改對其性能的影響。

類似地，在“Advanced”（高級）選項卡下，設(shè)計人員可以在以下分組中查詢和更改詳細的性能參數(shù)設(shè)置：

· Light-Load mode（輕負載模式）：可用模式包括高級異步調(diào)制 （AAM） 和強制連續(xù)電流模式 （CCM）。AAM 可優(yōu)化輕負載或空載條件下的轉(zhuǎn)換器效率，而強制 CCM 則可保持恒定的開關(guān)頻率，且輸出紋波較?。ǖ谳p負載條件下效率比 AAM 低）。

· Compensation（補償）：這些設(shè)置會改變穩(wěn)壓器的頻率響應(yīng)，而頻率響應(yīng)又決定器件的瞬態(tài)響應(yīng)、精度和穩(wěn)定性，進而決定其在輸入電壓、負載和占空比變化時保持設(shè)定電壓輸出的能力。良好的補償可使電源在寬頻率范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，但不會過度補償，使動態(tài)響應(yīng)變差。

· Switching（開關(guān)）：這些設(shè)置會改變穩(wěn)壓器開關(guān)時電壓上升和下降的壓擺率，以及頻率抖動時間和幅度。壓擺率和抖動對于最大限度地降低 EMI 都很重要。

· VIN/EN threshold（VIN/EN 閾值）：這些設(shè)置決定輸入電壓 UVLO 和 EN 操作的閾值限值（和滯后）。

· Power good（電源良好）：這些設(shè)置決定“電源良好”的上升閾值上限和下限以及滯后。

· SS Time（SS 時間）：軟啟動設(shè)置。軟啟動可防止穩(wěn)壓器在打開輸出時使輸入過載。

· Protection（保護）：通過這些設(shè)置，設(shè)計人員可以實現(xiàn)保護模式和閾值，例如峰值電流、OVP 和 OTP 等（圖 7）。

圖 7：MPS 的 Virtual Bench GUI 包括可配置模塊的高級編程功能，用以優(yōu)化模塊性能，從而滿足設(shè)計人員的規(guī)格要求。（圖片來源：MPS）

設(shè)計人員為應(yīng)用選擇最佳設(shè)置后，這些信息就會寫入模塊的內(nèi)置 RAM。然后，開發(fā)人員可以在各種負載下運行 EK 以檢查其性能。要優(yōu)化電源性能，只要簡單地修改設(shè)置并重寫到 RAM 中即可。

由于 RAM 是易失性存儲器，一旦模塊關(guān)閉，設(shè)置就會丟失。重新啟動時，模塊將以出廠默認設(shè)置啟動。關(guān)閉電源前，可以將 RAM 中的信息導(dǎo)出至 Virtual Bench，以供將來參考。

確定最佳設(shè)置后，設(shè)計人員就可以將這些設(shè)置編程至 OTP ROM 中，使它們在斷電時仍可保留，并在下次模塊啟動時使用。EK 仍然允許通過 I2C 接口和 RAM 進一步試驗設(shè)置，但在首次使用 ROM 后，就不能再保存任何進一步的設(shè)置。

結(jié)語

雖然市面上有各種優(yōu)秀的單片穩(wěn)壓器可供選擇，但設(shè)計人員仍需要大量工作來設(shè)計和測試外圍電路，以針對特定應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計性能。通過將模塊中完整的硬件設(shè)計與可編程數(shù)字邏輯相結(jié)合，MPS 的可配置可編程模塊簡化并加速了這一設(shè)計環(huán)節(jié)。

如上所述，將 EK 與基于 PC 的 GUI 相結(jié)合可以簡化配置，設(shè)計人員既可以進行輸出電壓或電流等基本設(shè)置并將其余設(shè)置保留為出廠默認值，也可以進行更高級的開關(guān)轉(zhuǎn)換器設(shè)計，以最大限度地降低 EMI 和瞬態(tài)響應(yīng)，同時實現(xiàn)最佳穩(wěn)定性和效率。

敲定設(shè)計后，即可為客戶提供批量生產(chǎn)但未經(jīng)編程的模塊，讓客戶根據(jù)原型數(shù)據(jù)進行配置；或者，如果將配置信息提供給 MPS，則可在工廠進行編程，然后提供隨時可用的模塊。