當(dāng)多就是少時(shí)：用更多的穩(wěn)壓器節(jié)省寶貴的空間

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）。

圖 1：Texas Instruments 的 LMZ10501 DC-DC 轉(zhuǎn)換器能夠提供最高 1 A 的電流，效率高達(dá) 95%。（圖片來源：Texas Instruments）

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）。

圖 2：LMZ10501 DC-DC 穩(wěn)壓器采用 3.00 mm × 2.60 mm 的 μSIP 封裝，其中包括電感器。仰視圖顯示了它的觸頭（左圖）；俯視圖主要顯示了電感器（右圖）。（圖片來源：Texas Instruments）

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。

圖 3：LMZ10501 只需三個(gè)小型電容器和兩個(gè)電阻器即可工作；相對(duì)較大的電感器是 IC 本身的一部分。（圖片來源：Texas Instruments）

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(qǐng)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），而是在非常靠近負(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。

使用多個(gè)小型轉(zhuǎn)換器如何節(jié)省空間？它們節(jié)省空間的地方有些很明顯，有些則不然：

由于大量的穩(wěn)壓操作現(xiàn)在是在負(fù)載局部完成的，因而可以減少上游電源對(duì)高價(jià)值、大體積的大容量電容器的需求。

它們?cè)试S根據(jù)上游 DC-DC 或 AC/DC 電源單元的具體負(fù)載情況，量身定制最終的直流電源軌。

由于直流電源軌的位置靠近負(fù)載，因而減少了對(duì)電源軌上小型旁路電容器的需求。事實(shí)上，靠近負(fù)載的超微型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器不僅提供所需的功率，還能部分或完全充當(dāng)旁路電容器的角色。

由于它們的位置靠近負(fù)載，因而改善了瞬態(tài)響應(yīng)。

這些轉(zhuǎn)換器的尺寸可以單獨(dú)進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到負(fù)載和效率之間的最佳平衡。這能提高總體效率，增加散熱面積，并減少對(duì)風(fēng)扇或散熱器的需求。

這些器件非常薄，因而可以放置在印刷電路板的底部，即使電路板在間距很近的機(jī)架或纖薄的外殼中也不受影響。此外，它們還能增強(qiáng)布局靈活性，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)省空間的設(shè)計(jì)。

它們可以大幅減少“嘈雜”IC 和靈敏 IC 之間的串?dāng)_和噪聲。

雖然這些轉(zhuǎn)換器沒有進(jìn)行電氣隔離，但如果需要小型隔離式轉(zhuǎn)換器，只需針對(duì)隔離的功能調(diào)整尺寸即可。

最后，還能減少對(duì)更寬電路板印制線的需求，從而減少 IR 壓降和直流電源軌上的寄生效應(yīng)，防止它們影響負(fù)載側(cè)的瞬態(tài)性能。

請(qǐng)注意，這些微型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器不僅僅適用于 1 A 以下的負(fù)載。例如，同樣來自 Texas Instruments 的TPS82130MicroSiP? 電源模塊可從 3 至 17 伏的輸入提供 3 A 的輸出電流，集成了同步降壓轉(zhuǎn)換器和電感器，并提供 0.9 至 6 伏的可調(diào)節(jié)輸出電壓（圖 4）。

圖 4：來自 Texas Instruments 的 TPS82130 DC-DC 模塊僅需要少量外部無源元器件，即可從 3 至 17 伏的直流輸入實(shí)現(xiàn)高達(dá) 3 A、0.9 至 6 伏（用戶可調(diào)節(jié)） 的輸出。（圖片來源：Texas Instruments）

請(qǐng)勿讓這里的“模塊”字眼所誤導(dǎo)，該器件的尺寸僅為 3.0 mm × 2.8 mm × 1.5 mm。相應(yīng)的性能曲線顯示，總體效率在稍高于 1 A 的位置達(dá)到峰值，并且在不超過 3 A 滿額定值前保持較高水平（圖 5）。

圖 5：只要在較高的負(fù)載下工作，TPS82130 DC-DC 的效率就能達(dá)到約 60% 或更高的水平，并且在高于 1 A 后達(dá)到峰值，因而可以調(diào)整尺寸以實(shí)現(xiàn)與負(fù)載的最優(yōu)匹配。（圖片來源：Texas Instruments）

解決相對(duì)時(shí)序問題

當(dāng)系統(tǒng)有多個(gè)電源軌時(shí)，往往存在與彼此的開啟/關(guān)斷時(shí)序相關(guān)的問題。時(shí)序有三種基本類型：順序、比率和同步，另外還有各自的變型。所有這些時(shí)序都可以使用 TPS82130 上的使能 (EN) 引腳和軟啟動(dòng)/跟蹤 (SS/TR) 引腳以及一些電阻器和/或電容器來實(shí)現(xiàn)（為簡(jiǎn)單起見，我們假定只有兩個(gè)電源軌）。

在順序時(shí)序中，第二個(gè)器件僅在第一個(gè)器件

達(dá)到穩(wěn)壓狀態(tài)后才會(huì)開啟（圖 6）。

圖 6：多個(gè) TPS82130 單元可以配置為順序時(shí)序，其中左側(cè)的穩(wěn)壓器先于右側(cè)的穩(wěn)壓器開啟。注意：圖中的 IC 標(biāo)記為 TPS62130，TPS82130 已改進(jìn)規(guī)格，但仍保持相同的功能和引腳分配。（圖片來源：Texas Instruments）

在比率時(shí)序中，兩個(gè)輸出電壓同時(shí)開始，并同時(shí)達(dá)到穩(wěn)壓狀態(tài)（圖 7）。之所以稱為“比率”時(shí)序，是因?yàn)閮蓚€(gè)電壓通常是不同的，因而具有不同的 dV/dt 斜率，但它們之間的比率是一個(gè)常數(shù)。

圖 7：在比率時(shí)序配置中（左圖），第二個(gè)電壓上升與第一個(gè)電壓上升同時(shí)開始和結(jié)束（右圖），兩者之間呈固定比率。（圖片來源：Texas Instruments）

最后，在同步啟動(dòng)模式下，兩個(gè)輸出電壓的斜率是相同的，因而電壓在不同的時(shí)間到達(dá)穩(wěn)壓狀態(tài)（圖 8）。

圖 8：在同步模式中，兩個(gè)電壓同時(shí)開始上升，但在不同的時(shí)間到達(dá)穩(wěn)壓狀態(tài)。（圖片來源：Texas Instruments）

除了相對(duì)啟動(dòng)順序之外，我們可能還會(huì)關(guān)注“軟啟動(dòng)”（上電時(shí)的電壓上升速度），以及實(shí)際軌電壓彼此之間的相對(duì)跟蹤。TPS82130 還利用其 SS/TR 連接對(duì)此預(yù)先做了安排。

如何利用新節(jié)省的空間呢？

關(guān)于如何利用新節(jié)省的空間，存在很多可能性，但選擇正確的方式取決于應(yīng)用的優(yōu)先級(jí)。對(duì)于很多設(shè)計(jì)，首要的考慮是提高電氣和機(jī)械穩(wěn)健性，在空間狹小的情況下經(jīng)常會(huì)犧牲這些方面。

這可能意味著在易出故障的 I/O 線路上增加電源箝位和撬棒電路、瞬態(tài)電壓抑制器和反極性保護(hù)。在機(jī)械方面，增加額外的印刷電路板支撐和固定螺絲、固定件、電池夾和進(jìn)行其他結(jié)構(gòu)性改進(jìn)，這些方法都能有效地利用空間。

接下來需要考慮增加可能有用的額外功能?，F(xiàn)在或許有空間放置稍大一些的電池、更大的顯示屏和驅(qū)動(dòng)器 IC、更多的 LED 指示燈，甚至增加用戶按鈕?；蛟S現(xiàn)在還可以選擇更大的存儲(chǔ)器，即便它需要更大的 IC 封裝。使用這些微小的局部 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，我們可以節(jié)省足夠的空間以提供更多的功能，特別是現(xiàn)在增強(qiáng)了板布局的靈活性。

總結(jié)

有時(shí)，少可能出乎意外的意味著多。隨著超微型 DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器的問世，我們可將穩(wěn)壓功能放在非常靠近負(fù)載的位置，這可能在電氣性能、板布局、上游電源單元的尺寸和類型以及散熱性能等方面引發(fā)連鎖效應(yīng)。

使用超微型轉(zhuǎn)換器會(huì)帶來一種衍生效應(yīng)，即它能夠在設(shè)計(jì)的固定外殼中騰出更多板空間，從而實(shí)現(xiàn)其他的電氣和機(jī)械改進(jìn)，增加新的特性和功能。