超小型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的作用,提升電路設(shè)計(jì)技能

系統(tǒng)或電路板的配電網(wǎng)絡(luò)（也就是電源樹）設(shè)計(jì)經(jīng)常在集中式和分散式之間轉(zhuǎn)換。技術(shù)和元器件的發(fā)展，以及設(shè)計(jì)要求的變化，推動(dòng)了這種反復(fù)的轉(zhuǎn)換。如果設(shè)計(jì)人員主要關(guān)注的是節(jié)省空間來提供其他功能，則可選擇使用微型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，它們具備其他的優(yōu)點(diǎn)。

這些微型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的其他優(yōu)點(diǎn)包括：讓設(shè)計(jì)人員能夠靈活地重新評(píng)估電源樹拓?fù)?；?duì)板布局造成的約束較少；能夠提高性能和效率；并且節(jié)省板空間。

本文將討論超小型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的作用，然后介紹一些示例器件，以及如何最好地應(yīng)用此類器件。

為什么轉(zhuǎn)向采用超小型轉(zhuǎn)換器？

過去設(shè)計(jì)人員一般使用較大的中間總線轉(zhuǎn)換器 (IBC) 為相對(duì)較大的負(fù)載點(diǎn) (POL) 轉(zhuǎn)換器供電，然后再由這些轉(zhuǎn)換器為包含多個(gè) IC 的相對(duì)較大的子系統(tǒng)供電，隨著微型降壓（降壓模式）DC-DC 電源轉(zhuǎn)換器的問世，設(shè)計(jì)人員逐漸摒棄了這種傳統(tǒng)的做法。

取而代之的是，設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以選擇使用高度分散的微型轉(zhuǎn)換器，并將其放置在臨近負(fù)載的位置，這些負(fù)載可能只是單個(gè) IC 及其支持元件。

使用這些高度分散的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器是出于兩個(gè)原因。首先，新的微型元器件、更高的工作頻率（達(dá)到兆赫茲 (MHz) 范圍）、先進(jìn)的制造技術(shù)、增強(qiáng)的封裝的出現(xiàn)，讓我們能夠獲得性能出色且易于使用的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。其次，通過這種方式提供電源軌，還能為電路設(shè)計(jì)、整體電路板布局和最終產(chǎn)品帶來諸多重要和次要的好處。

此外，雖然使用多個(gè)小型轉(zhuǎn)換器看似不太直觀，但能夠真正減小電源子系統(tǒng)的封裝尺寸，節(jié)省印刷電路板空間，并提供增加特性和功能的機(jī)會(huì)。

了解細(xì)節(jié)

我們來了解一下與這些轉(zhuǎn)換器相關(guān)的性能和尺寸規(guī)格。例如，Texas Instruments 的 LMZ10501“納米”模塊是一種降壓 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，能夠驅(qū)動(dòng)高達(dá) 1 安培 (A) 的負(fù)載（圖 1）。

雖然達(dá)到這樣的輸出額定值，但它仍然是名副其實(shí)的“納米”元件，因?yàn)樗捎玫氖?8 引腳 3.00 毫米 (mm) × 2.60 mm μSIP 封裝，其中包括電感器（圖 2）。

LMZ10501 并非裸器件，它包含基于內(nèi)部限流功能的軟啟動(dòng)功能，以及電流過載保護(hù)和熱關(guān)斷功能。在包括基本操作的典型應(yīng)用中，它只需要輸入電容器、輸出電容器、小型 VCON 濾波電容器和兩個(gè)電阻器（圖 3）。一體式電感器的直流電流額定值為 1.2 ADC，支持的“軟”飽和電流高達(dá) 2 A。

外部電容器的選擇需要慎重考量。為了在尺寸、成本、可靠性和性能之間達(dá)到最佳平衡，輸入和輸出濾波器都應(yīng)該是低 ESR 的 MLCC 元器件。單個(gè) 10 微發(fā) (μF) 電容器（0603 或 0805 規(guī)格）的額定電壓為 6.3 或 10 伏特，通常適合 VIN 旁路；也可以使用多個(gè) 4.7 μF 或 2.2 μF 電容器。

請注意，選擇電容值過小的電容器可能由于回路相位裕量較低而導(dǎo)致不穩(wěn)定。相反，如果輸出電容器過大，可能導(dǎo)致啟動(dòng)順序結(jié)束時(shí)的輸出電壓無法達(dá)到要求的 0.375 伏特。使用大于推薦值的電容值不會(huì)帶來明顯的好處。

了解尺寸影響

由于電路板空間很小，設(shè)計(jì)人員可以改變他們的思路，尋找為不同 IC 和其他元器件供電的新方法。這種 μSIP 器件不是將大型電源放置在遠(yuǎn)離負(fù)載的位置（例如印刷電路板的角落），而是在非?？拷?fù)載的位置完成末級(jí)穩(wěn)壓。這些器件的另外一大好處是，能夠與標(biāo)準(zhǔn)貼片機(jī)和焊臺(tái)完全兼容。