微型模塊為DC/DC電源穩(wěn)壓器設計提供便捷通道

使用現(xiàn)在的組件、參考設計、工具和資源，設計出一個基本上“還算可以”的直流-直流 (DC/DC) 電源穩(wěn)壓器 (有時稱為功率轉(zhuǎn)換器或電源) 并不難。設計師只需將適當?shù)?a target="_blank">控制器集成電路 (IC)、金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 及其驅(qū)動器和一些無源器件組合在一起，理論上整個設計就完成了，能夠在對直流輸入電壓進行轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓的同時輸出直流電壓 (圖 1)。

圖1：原則上講，穩(wěn)壓器的功能簡單明了，就是用一個比較穩(wěn)定的直流電源，經(jīng)過嚴格的穩(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法，而我們還面臨著嚴酷的現(xiàn)實，因為“還算可以”的設計已經(jīng)不夠用了。雖然這樣的設計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)在對動態(tài)性能、各種負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越高，這些要求往往是監(jiān)管機構(gòu)強制規(guī)定的，必須滿足這些要求，產(chǎn)品才能獲準上市。

我們來討論一下電源穩(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，有些情況要求更嚴格。然后是動態(tài)性能需要對線路和負載的變化作出快速響應，但是要想讓波動或者不穩(wěn)定性降到最低，穩(wěn)壓器還必須具備針對各種故障的保護功能，比如過電流 (包括負載短路)、過電壓/欠電壓以及過熱等情況。

出于多種原因，效率和EMI/RFI標準通常是最難達到的。首先這些標準相當嚴格，其次它們隨國家和地區(qū)而異，因此需要全面認真的理解。另外，電源的效率通常需要滿足激活、待機及其他操作模式下的不同要求，進一步加劇了困難程度。效率和EMI/RFI性能必須由相應的實驗室或機構(gòu)進行測試和認證。PCB布局和物料清單 (BOM) 的微小變化都會影響效率和EMI/RFI性能，導致可能需要重新測試和認證。

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器件簡單，電源相關組件的生產(chǎn)過程中很少或沒有特殊組裝步驟 (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。

從功率水平開始

當然并不是所有電源穩(wěn)壓器的設計都很艱巨，但隨著功率/電流額定值的增加，設計和自己設計 (MIY) 的難度也會不斷增加。對于提供1A或2A以下電流的低功率電源，設計相對簡單。這種設計可以使用市場上提供的許多低壓差 (“線性”) 穩(wěn)壓器 (LDO) 或開關穩(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計性能參數(shù)。

中等功率范圍的設計所面臨的挑戰(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越大，之前小型化設計的問題和缺陷就被逐步放大，廠家提供的參考設計經(jīng)過測試和驗證，一開始采用這些設計固然方便，但是并不保證適用所有的場景。

對于采用數(shù)十安培或者更高電流的應用，其電源穩(wěn)壓器的設計和制造困難會呈指數(shù)級增長。這些設計需要采用更大體積的元件、具有更嚴重的功率耗散、更高的IR壓降，并且增加了EMI/RFI潛在問題。總之，有太多的因素使穩(wěn)壓器設計實現(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。在更高電流下進行性能測試也很困難，因為要測試設計是否符合更嚴格的效率和EMI/RFI要求。

如果電源必須進行電氣隔離 (安全或性能方面通常要求這個)，那么設計必須符合高壓隔離標準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)壓器設計人員往往面臨著產(chǎn)品面市需要更長的時間，更昂貴的物料成本以及高度的不確定性和風險，因為穩(wěn)壓器的性能在終端產(chǎn)品設計中顯得越來越重要，尤其涉及到產(chǎn)品的接受度以及市場銷量方面。事實上如果只提供一個“空白的”設計實現(xiàn)而沒有一個好的參考設計作為出發(fā)點那么無疑會面臨艱巨的挑戰(zhàn)，即使有參考設計，隨著電流 (或功率) 的增加，MIY之路上也會遇到長度、復雜性以及合規(guī)等問題。

當然除了MIY之外，還有一個選擇，那就是購買完整的穩(wěn)壓器設計。傳統(tǒng)上，自己設計和購買的邊界是根據(jù)2A和10A電流來劃分的：低于2A的自己設計，高于10A的購買。至于2A和10A之間的是自己設計還是購買，取決于折衷權(quán)衡的結(jié)果。在大多數(shù)情況下，購買選項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)氧樹脂的黑盒中。

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

新的購買選擇提供了新視角

除了“自己設計”和“購買”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格的效率問題、EMI/RFI合規(guī)問題和殘酷的市場壓力。這個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)合了先進的設計、組件和封裝，從而克服了模塊化的問題以及一些限制。對于需要MIY的設計場景有了更多的選擇，但是只對那些低于2A的低電流應用才有實際意義。

目前μModule 模塊由100多個不同的單元組成，共分為15個系列，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μModule都是一個完全集成的DC/DC電源解決方案，作為完整的系統(tǒng)級封裝它具有：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 (資料來源：Linear Technology)

然而μModule單元并不僅僅是簡單基本的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μModule示例展示了功能特性的多樣性

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

LTM8045 (圖4) 是一款DC/DC 轉(zhuǎn)換器，可以通過簡單地將相應的輸出軌接地，將其配置為SEPIC (單端初級電感轉(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設置輸出電壓和開關頻率。其他組件可用于控制軟啟動和欠壓鎖定。演示板( 圖5) 簡化了各種模式和性能評估的設置。

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

圖5：演示板允許用戶評估器件在多種應用模式下的性能 (資料來源：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。其封裝中包含開關控制器、電源開關、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，全部由一個電阻來調(diào)節(jié)。在這個設計中，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現(xiàn)能夠隔離750V直流電的轉(zhuǎn)換器，采用小型化封裝，同時提供高性能 (資料來源：Linear Technology)

圖7：演示板還支持用戶使用獨立的兼容設計，而無需考慮隔離細節(jié) (資料來源：Linear Technology)

μModule優(yōu)點：有些明顯，有些不明顯

μModule器件的第一層優(yōu)點非常的明顯：每個器件都是一個嵌入式解決方案，省去了頭疼的設計問題和麻煩，每個器件都有明確的性能指標和效率參數(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。所有關鍵的設計要素都可以提前知道：尺寸、成本和嚴格的上市時間，并且每個器件單元都會滿足相關規(guī)則的要求，從而確保效率和安全，因此用戶進行測試和驗證的時間成本幾乎為零。

除了這些要素，每個μModule還附帶用戶手冊、演示板 (圖8) 等資料。設計人員同樣也需要預先模擬整個系統(tǒng)的性能，因此每個μModule都會附帶LTspice?模型 (圖9和圖10) 以及詳細的支持文檔，最后每個μModule都通過了Linear Technology嚴格的電氣封裝和熱可靠性測試，獲得了全面的認證。

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

圖10：模型的仿真會展示一些關鍵特性，比如整個工作過程中的效率和功率損失分析 (資料來源：Linear Technology)

重新定義決策框架

對于2A以下的DC/DC穩(wěn)壓器，MIY(“自己設計”)是明智的：采用LDO、開關IC以及參考設計。但對于2A以上的DC/DC穩(wěn)壓器，MIY方式就會有一定的風險，時間成本也難以評估，特別是對于效率和EMI/RFI要求非常嚴格的時候。

但對于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 - 能夠幫助設計團隊快速進行電源穩(wěn)壓器的設計與驗證。借助這些單元中的一個或者多個可以大大簡化設計的實現(xiàn)、驗證以及生產(chǎn)，將這些單元集成為一個高性能的穩(wěn)壓器并且采用微型封裝完全可以滿足系統(tǒng)的需要并通過驗證，從而可以節(jié)省BOM成本，縮短產(chǎn)品上市的時間并降低系統(tǒng)風險。

審核編輯：郭婷