作者：比爾•施韋伯 貿(mào)澤電子
當今利用現(xiàn)有的組件、參考設(shè)計、工具和資源來設(shè)計一個基礎(chǔ)且好用的DC/DC電源穩(wěn)壓器（或稱為電源轉(zhuǎn)換器）已經(jīng)不是一件難事了，設(shè)計者需要將合適的控制IC、MOSFET晶體管、驅(qū)動電路以及一些無源器件組合起來，理論上整個設(shè)計就完成了，能夠?qū)斎隓C直流電壓進行轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓同時輸出DC直流電壓（見圖1）。
圖1：原則上講穩(wěn)壓器的功能非常的簡單明了：采用穩(wěn)定的DC輸入電源，經(jīng)過嚴格的調(diào)節(jié)后輸出直流電壓提供給系統(tǒng)使用 然而這只是理論上的，我們還面臨著嚴酷的現(xiàn)實，作一個“相對好的”設(shè)計已經(jīng)不再夠用了，雖然這樣的設(shè)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“基本的”參數(shù)只是現(xiàn)代穩(wěn)壓器必須具備的一小部分，此外對動態(tài)性能、各種負載的效率以及電磁干擾/射頻干擾（EMI/RFI）等方面日益苛刻的要求也越來越嚴峻。 我們來討論一下電源穩(wěn)壓器眾多要求中一些關(guān)鍵點，首先就是在具體的輸出電壓要求下能夠提供足夠的電流，容差在1%到3%（典型范圍），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(yīng)，但是要想波動或者不穩(wěn)定性降低到最小，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標準通常是最難以滿足的，首先這些要求都非常嚴格，此外這些標準因國家和地區(qū)存在差異，因此需要全面認真的來理解。為了使其更具挑戰(zhàn)性，電源的效率必須滿足激活、待機等其他操作模式下的要求，此外效率和EMI/RFI性能都必須由適當?shù)膶嶒炇一蛘邫C構(gòu)進行測試和認真，PCB布局和BOM清單一個小的變化都會影響效率和EMI/RFI的性能，因此需要全面的測試認證。 除了這些基本的性能要求外，穩(wěn)壓器還必須確保體積小、成本低、BOM器件簡單、電源相關(guān)組件的生產(chǎn)組裝過程中不存在特殊的步驟（尤其是手工操作），比如電容、電阻、MOSFET或IGBT和散熱片等，這些需求之間會存在交集和沖突，因此有效的權(quán)衡分析和折中是必不可少的。 從功率等級開始 當然并不是所有電源穩(wěn)壓器設(shè)計都很艱巨，但是設(shè)計和動手制作的難度隨著功率/電流的增加而不斷增加，對于提供低于1A或2A電流的低功率電源設(shè)計相對簡單，這樣的設(shè)計可以利用市場上眾多可用的低壓降（“線性”）的穩(wěn)壓器（LDOs）或者開關(guān)穩(wěn)壓器，這些組件的性能也是適中的，大多數(shù)情況下都能夠滿足設(shè)計性能參數(shù)。 中等功率范圍的設(shè)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，隨著電流和元件變得越來越大，之前小型化設(shè)計的問題和缺陷就被逐步放大，廠家提供的參考設(shè)計經(jīng)過測試和驗證，一開始我們采用這些設(shè)計固然是方便的，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范圍的應(yīng)用，其電源穩(wěn)壓器的設(shè)計和制造困難會呈指數(shù)級增大，這些設(shè)計需要采用更大體積的元件、更多的功率耗散、更高的IR輻射，并且增加了EMI/RFI的潛在問題，簡而言之，有太多的因素使穩(wěn)壓器設(shè)計實現(xiàn)變得困難，一些組件可能需要安裝支架或者螺絲、更大的散熱片，設(shè)計空氣流通路徑，在更高電流下進行性能測試很困難，因為主要是測試設(shè)計是否符合更嚴格的效率和EMI/RFI要求。 如果電源必須是電氣隔離的（安全和性能方面往往要求這些），設(shè)計必須符合高壓隔離標準以及各子部件之間的兼容要求。 因此中端高功率的穩(wěn)壓器設(shè)計人員們往往面臨產(chǎn)品面市需要更長的時間，更昂貴的BOM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(shè)計中顯得越來越重要，尤其涉及到產(chǎn)品的接受度以及推廣方面。事實上如果只提供一個“空白的”設(shè)計實現(xiàn)而沒有一個好的參考設(shè)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(shè)計，隨著電流（或功率）的增加會出現(xiàn)復(fù)雜的調(diào)試等問題。 當然對于MIY（自己設(shè)計）也有一些代替方案，比如購買完整的穩(wěn)壓器設(shè)計。傳統(tǒng)上制造和購買的邊界是根據(jù)2A和10A電流來劃分的：低于2A可以自己設(shè)計制造，高于10A可以選擇購買成熟的設(shè)計。這取決用于什么場景從而作出一定的妥協(xié)。在大多數(shù)情況下，購買選項通常要考慮到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的視角 除了“自己制造”和“購買方案”兩種方法之外，還有一種替代方案可以解決大部分中端系統(tǒng)和它們所面臨的日益嚴格的效率問題、EMI/RFI以及市場壓力等：替代方案就是采用凌力爾特公司（LTC）推出的μModule®系列高性能調(diào)節(jié)器，目前凌力爾特公司（LTC）隸屬于ADI公司。如圖2所示，這些嵌入式器件結(jié)合了先進的設(shè)計、組件和封裝從而克服模塊化的問題以及一些限制，對于需要“自己制作”的設(shè)計場景有了更多的選擇，但是只對于那些低于2A的低電流應(yīng)用才有實際意義。
圖2：μModule DC/DC調(diào)節(jié)器取代了復(fù)雜的PC板卡，不需要再使用有源和無源的分立式元件，最終是一個簡單微型的嵌入式器件（來源：凌力爾特） 目前μModule 模塊由超過100多個不同的單元組成，共分為15個系列，滿足各種應(yīng)用場景的性能需求，此外它有超過30種微型封裝，器件面積從6.25 × 6.25mm到16 × 11.9mm，高度從1.82mm到5.02mm，每個μModule都是一個全面集成的DC/DC電源解決方案，作為完整的系統(tǒng)級封裝它具有：電感、MOSFET、DC/DC穩(wěn)壓器IC和其他支持的組件（見圖3），其輸出的電流范圍從2A到20A，電壓范圍從1.8VDC到58VDC。
圖3：每個μModule單元都包括必要的電感、MOSFET、穩(wěn)壓器IC以及所有支持的組件，它是一個高度集成的封裝單元（來源：凌力爾特） 然而μModule單元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括以下功能特性： • 超低的噪聲，可滿足某些應(yīng)用嚴格的EN55022 Class B等級要求 • 無縫降壓-升壓轉(zhuǎn)換，這在電源電壓標稱輸出值（完全充電）到低于該值（放電）的范圍內(nèi)時是非常重要的。 • 單個μModule支持多路輸出（2/3/4或5路），允許輸出電流共享，在開關(guān)操作以及輸出次序上電過程中保證電流負載 • 數(shù)字輸入/輸出（I/O）接口，通過串口總線可以對這些穩(wěn)壓器進行“讀取”狀態(tài)和“寫入”設(shè)置操作，這些情況下可以進行密切的檢測和控制 • 遠程感應(yīng)可以抵消在較高電流的情況下穩(wěn)壓器輸出和負載之間IR下降的影響 • 多個μModule穩(wěn)壓器之間支持電流共享（或并聯(lián)），提供高功率同時向負載均勻分配電流 • 極性反轉(zhuǎn)，在給定輸出電壓是正的情況下，穩(wěn)壓器輸出必須為負極 • 可調(diào)諧補償，根據(jù)負載特性以及輸出電容類型、數(shù)量來調(diào)整補償來實現(xiàn)精確的輸出和瞬態(tài)響應(yīng)，從而實現(xiàn)穩(wěn)壓器的環(huán)路改變響應(yīng) • 超薄封裝，因此穩(wěn)壓器器件才可以緊密的安裝在電路板底部，或者嵌入在FPGA（可編程門陣列）或ASIC（專用集成電路）之間，此外還可以放在散熱器/冷卻板的頂部。 兩個μModule應(yīng)用示例展示了功能特性的多樣性 鑒于μModule產(chǎn)品的15個系列具有如此多的器件，沒有明確的典型單元模塊或者兩個類似的例子，因此我們選擇兩個應(yīng)用示例來展示多種可用的功能和特性。 LMT8045（見圖4）是一款DC/DC轉(zhuǎn)換器，可以通過簡單的將某些輸出電源接地將其配置為SEPIC（單端初級電感轉(zhuǎn)換器）或者反向轉(zhuǎn)換器。在SEPIC配置中，穩(wěn)壓輸出電壓可以高于、低于或等于輸入電壓，LTM8045包括功率器件、電感、控制電路和無源組件，使用它的必要條件是輸入和輸出電容以及小電阻器來設(shè)置輸出電壓和開關(guān)頻率，其他組件可以用于控制軟啟動和欠壓鎖定，示例板卡（見圖5）簡化了各種模式和性能評估的設(shè)置。
圖4：LMT8045是一款支持2.8V到18V輸入，多拓撲結(jié)構(gòu)的DC/DC μModule單元，在升壓模式或降壓模式下能夠提供高達700mA的輸出電流（來源：凌力爾特）
圖5：示例板卡允許用戶評估該板卡在多種不同模式下的性能（來源：凌力爾特） LTM8047（圖6）是一款隔離性反激式μModule DC/DC 轉(zhuǎn)換器，隔離額定值為725VDC。其封裝包括切換控制器、電源開關(guān)、隔離變壓器和所有支持的組件。它的工作輸入電壓范圍從3.1V到32V，輸出工作電壓范圍從2.5V到12V，這些設(shè)置都是由一個電阻來調(diào)節(jié)。在這個設(shè)計中輸出、輸入和旁路電容是必需的（如圖7）。
圖6：使用LTM8047 μModule，用戶可以簡單快速的實現(xiàn)能夠隔離750VDC的轉(zhuǎn)換器，采用小型化封裝，同時提供較高的性能（來源：凌力爾特）
圖7：這塊示例板卡支持用戶使用獨立的兼容設(shè)計，而無需考慮詳細的隔離細節(jié)（來源：凌力爾特） μModule的一些優(yōu)勢: 有些顯而易見，有些不明顯 μModule 器件的第一個優(yōu)勢非常的明顯：每個器件都是一個解決方案，省去了頭疼的設(shè)計問題和麻煩，每個器件都具有給定的性能指標和效率參數(shù)，用戶可選擇的范圍也很多，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)計要素都可以查到：體積、成本和嚴格的上市時間，并且每個器件單元都會滿足相關(guān)規(guī)則的要求，從而確保效率、安全，因此用戶測試和驗證的時間成本幾乎為零。 除了這些因素，每個μModule都包括用戶手冊、示例板卡（見圖8）等資料，設(shè)計者同樣也需要預(yù)先模擬整個系統(tǒng)的性能，因此每個μModule都會提供LTspice模型（見圖9和圖10）和詳細的技術(shù)支持文檔，最后每個μModule都通過了凌力爾特公司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都會提供示例板卡、用戶手冊、layout指南和其他技術(shù)支持文檔（來源：凌力爾特）
圖9：穩(wěn)壓器模型作為系統(tǒng)的一部分是非常關(guān)鍵的，LTSpice模型和模擬可以用于比如雙路13A/單路26A的常規(guī)設(shè)計中（來源：凌力爾特）
圖10：模型的仿真會展示一些關(guān)鍵特性，比如整個工作過程中的效率和功率損失分析（來源：凌力爾特） 重新定義決策框架 對于2A以下的DC/DC穩(wěn)壓器，MIY（“自己設(shè)計”）的方式是明智的：采用LDO、開關(guān)ICs以及參考設(shè)計。然而高于這個閾值后，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要求非常嚴格的方面。 在此范圍之上是存在更好的解決方案的，LTC/ADI μModule 系列——15個產(chǎn)品系列、100個電源產(chǎn)品以及30中封裝選擇——能夠幫助設(shè)計團隊快速實現(xiàn)電源穩(wěn)壓器的設(shè)計與驗證，借助一個或者多個這些單元可以大大簡化設(shè)計實現(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是完全可以滿足系統(tǒng)的需要，從而可以節(jié)省BOM成本，降低系統(tǒng)風險，并且縮短產(chǎn)品上市的時間。 原文鏈接： https://www.mouser.com/applicati ... c-power-regulators/
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