匯總DC/DC穩(wěn)壓器模塊時(shí)必須注意的錯(cuò)誤

設(shè)計(jì)人員一直在尋找合適的即用型替代品，以提供 1 至 10 安培中等強(qiáng)度電流范圍的低壓 DC 輸出軌，同時(shí)滿足基本的性能目標(biāo)以及效率和法規(guī)要求。雖然供應(yīng)商現(xiàn)在提供許多合適的小型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器/穩(wěn)壓器來滿足這一需求，但是不應(yīng)假定它們只是可以忽視的“替代品”。

為什么這樣說？盡管它們看起來并不復(fù)雜，但這些穩(wěn)壓器仍然是為負(fù)載提供中等強(qiáng)度電流的電源。就模塊而言，所有設(shè)計(jì)人員需要做的只是添加幾個(gè)外部的非關(guān)鍵無源器件。但是，這種便利可能會(huì)讓設(shè)計(jì)人員自以為是，導(dǎo)致他們忽略影響所有電源及其電源軌的基礎(chǔ)要素。

本文將明確并討論這些重要的基礎(chǔ)要素。然后，本文還將介紹多種模塊化電源解決方案，并說明如何應(yīng)用這些核心原則，以充分利用每個(gè)解決方案。

識(shí)別電源設(shè)計(jì)的“陷阱”

首先，有一些好消息。這些設(shè)備的運(yùn)行效率相對(duì)較高，通常在 80% 至 95% 之間，具體取決于特定的型號(hào)和工作點(diǎn)。雖然輸出電流處于中等水平，但設(shè)計(jì)人員仍需要進(jìn)行基本的熱分析和散熱分析，以確保器件保持在額定溫度范圍內(nèi)，并且不會(huì)為系統(tǒng)增加過多的冷卻負(fù)擔(dān)。

有五個(gè)主要的關(guān)注點(diǎn)：1) IR 壓降；2) 隔離；3) 輸出可調(diào)性；4) 開關(guān)噪聲；以及 5) 低阻抗返回路徑。第一步，在選擇特定的 DC/DC 穩(wěn)壓器之前，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該先驗(yàn)證非穩(wěn)壓 DC 電源能夠提供足夠的電流，同時(shí)要考慮到可能還有其他 DC/DC 單元也依賴于該電源。此外，還要確保電源的動(dòng)態(tài)性能足以滿足較高的電流瞬態(tài)負(fù)載需求，主要是因?yàn)檫@些穩(wěn)壓器沒有大容量輸出電容器。

IR 壓降：負(fù)載太遠(yuǎn)了嗎？

在確定元器件、I/O 端口和潛在熱源的位置時(shí)，設(shè)計(jì)人員通常必須面對(duì)各種彼此沖突的印刷電路板布局要求。就這方面而言，電源穩(wěn)壓器可能就是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的設(shè)備。理想情況下，它應(yīng)當(dāng)靠近負(fù)載放置，以最大限度地減少 IR 壓降和噪聲拾取，同時(shí)減少浪費(fèi)空間的大面積印刷電路板走線（用于通過電流）的需求。

IR 壓降最容易被忽視，但卻是最容易計(jì)算的。即使 DC/DC 穩(wěn)壓器輸出與其負(fù)載之間僅有幾毫歐電阻，也可能導(dǎo)致這些單元的供電電壓下降 10 毫伏或以上。也許這看似微不足道，但當(dāng)標(biāo)稱 DC 電源軌僅為幾伏時(shí)，就可能產(chǎn)生顯著的影響。

因此，印刷電路板走線的尺寸必須適當(dāng)，也可以安裝在單獨(dú)的印刷電路板上。應(yīng)當(dāng)考慮使用細(xì)母線。母線似乎是一種古老的解決方案，但它們非常有效，原因有兩點(diǎn)。首先，它們能大幅降低 IR 壓降。其次，以較少的額外 BOM 成本即可使用雙層母線，從而獲得優(yōu)異的直流接地返回路徑。

為了盡可能減少 IR 壓降；建立更好、更低電阻的系統(tǒng)接地；并最大限度減少可能影響較高頻率性能的接地結(jié)構(gòu)中的寄生效應(yīng)和非直流阻抗，這樣做與高壓側(cè) DC 電源軌本身一樣重要。當(dāng)然，無論物理 DC 電源軌和接地如何，重要的是要讓低阻抗、低值旁路電容器盡可能靠近 IC 電源引腳或引線，同時(shí)最大限度減少電源軌上的噪聲相關(guān)問題。

在某些情況下，IR 壓降仍然是不可接受的，因此需要使用包含遠(yuǎn)程檢測(cè)的專用穩(wěn)壓器架構(gòu)。這里，穩(wěn)壓器具有兩個(gè)用于電流提供和返回的傳統(tǒng)端子，此外還具有兩個(gè)連接在負(fù)載上的檢測(cè)端子，用于測(cè)量該負(fù)載處的實(shí)際電壓。該穩(wěn)壓器使用此檢測(cè)值作為反饋來調(diào)節(jié)其輸出電壓，以補(bǔ)償壓降的影響（圖 1）。

圖 1：遠(yuǎn)程檢測(cè)允許直流電源直接在負(fù)載處測(cè)量實(shí)際的軌電壓，并根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)補(bǔ)償任何 IR 壓降或其他變化。（圖片來源：Analog Devices）

例如，Linear Technology Corp/Analog Devices 的LTM4601μModule?可通過 4.5 到 20 伏的 DC 輸入提供 0.6 到 5.0 伏之間的最高 12 安培的大電流。在這種較高的電流之下，IR 壓降可能會(huì)影響系統(tǒng)性能和行為一致性。使用遠(yuǎn)程檢測(cè)，該模塊可以校正印刷電路板在 VOUT和 VLOAD之間的 IR 壓降電壓損失，以及接地返回路徑。因此，盡管線路、負(fù)載和溫度存在變化，但 LTM4601 仍可確保負(fù)載的電壓精度達(dá)到 ±2.0% 或更高。

但請(qǐng)注意，遠(yuǎn)程檢測(cè)并不是靈丹妙藥。實(shí)際上，它在電源和負(fù)載之間放置了一個(gè)大型反饋回路。如果您將電源穩(wěn)壓器視為一種功率運(yùn)算放大器，那么此反饋環(huán)路會(huì)將電源暴露在噪聲和 EMI/RFI 之下，從而影響閉環(huán)性能。甚至，這種環(huán)路的存在還可能導(dǎo)致穩(wěn)壓器不穩(wěn)定和振蕩。因此，在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程檢測(cè)時(shí)必須仔細(xì)考慮布局。

另一種最小化 IR 影響的方法是在靠近各個(gè)負(fù)載的位置使用多個(gè)較小的穩(wěn)壓器，而不是集中在某個(gè)位置放置一個(gè)較大的穩(wěn)壓器。這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)關(guān)于有形“成本”的經(jīng)典權(quán)衡問題，即使用兩個(gè)或以上較小、較便宜的單元還是一個(gè)較大、較昂貴的單元。雖然 BOM 成本差異是可以量化的，但選擇一個(gè)大型器件與多個(gè)小型器件的技術(shù)影響則難以評(píng)估，需要分析以及判斷和經(jīng)驗(yàn)。

例如，Texas Instruments的LMZM33602電源模塊采用相對(duì)較小的扁平封裝，將降壓轉(zhuǎn)換器與功率 MOSFET、屏蔽式電感器和無源器件組合在一起，可提供 1 至 18 伏電壓，電流最高可達(dá) 2 安培（圖 1）。它只需要四到五個(gè)非關(guān)鍵的外部無源元件，并消除了穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的環(huán)路補(bǔ)償和磁性問題。

圖 2：使用多個(gè)像 Texas Instruments 的 LMZM33602 這樣較小尺寸、較低電流的穩(wěn)壓器可能會(huì)增加 BOM，但同時(shí)也可以簡(jiǎn)化布局并在 IR 壓降和噪聲方面改善性能。（圖片來源：Texas Instruments）

LMZM33602 采用 QFN 封裝，尺寸僅為 9 mm × 7 mm × 4 mm，可輕松貼裝在負(fù)載元件或子電路附近。這樣做可以通過兩種方式最小化 IR 壓降。

首先，它靠近負(fù)載，可降低電源軌電阻和噪聲拾取。其次，輸出電流僅為幾安培，也降低了 IR 壓降。因此，與使用單個(gè)較大的 10 安培單元相比，部署多個(gè)此類單元可以提供更大的布局靈活性、降低 IR 壓降、減少噪聲拾取、提高分布式散熱以及其他系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì)。

隔離：有時(shí)是可選的，但通常是強(qiáng)制性的

對(duì)電流隔離的需求（即電路的兩個(gè)部分之間沒有任何電阻路徑）可能在某種程度上是有利的，或者是強(qiáng)制性。消除系統(tǒng)接地回路也許有所幫助，因?yàn)榭赡苄枰B接“浮動(dòng)”（非接地）變送器，或者必須這樣做以確保高壓電路與醫(yī)療器械用戶之間的安全性。對(duì)于許多設(shè)計(jì)人員而言，這種隔離的必要性或作用要么不明確，要么難以理解。

先不考慮基本原理如何，有一個(gè)經(jīng)常被忽視的事實(shí)是隔離子電路也需要隔離電源，該電源通常保持相對(duì)較低的電流水平。過去，即使對(duì)低電流隔離電源的需求也需要大量的電路板空間，與其他功能相比，其 BOM 成本通常過高。選擇“自建”的途徑而不是“購(gòu)買”通常是不可行的，因?yàn)楦綦x設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)或裝配方面都有很大影響。此外，對(duì)于許多應(yīng)用而言，需要對(duì)隔離設(shè)計(jì)和物理實(shí)現(xiàn)進(jìn)行測(cè)試和認(rèn)證以滿足行業(yè)和監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。這是一個(gè)昂貴而復(fù)雜的過程。

不過，由于小巧且完全合規(guī)和經(jīng)過認(rèn)證的隔離式 DC/DC 模塊（例如 Analog Devices 的LTM8047，圖 3）的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)人員可以在很大程度上克服這個(gè)問題。使用隔離反激拓?fù)?，可提?725 VDC的隔離。

圖 3：元器件、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和封裝方面的進(jìn)步使得 Analog Devices 的 LTM8047 穩(wěn)壓器模塊能夠提供電流隔離，滿足其額定電壓對(duì)應(yīng)的所有相關(guān)監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)，但在用戶看來，它似乎是傳統(tǒng)的非隔離器件。（圖片來源：Analog Devices）

在其尺寸為 11.25 mm × 9 mm × 4.92 mm 的微小 BGA 封裝內(nèi)，封裝了開關(guān)控制器、電源開關(guān)和所有支持元器件，以及隔離變壓器的核心元件（圖 4）。它可以從 3.1 至 32 伏的寬輸入電壓范圍提供 2.5 至 12 伏的輸出（始終處于降壓模式）。盡管它只能提供中等強(qiáng)度電流，在 2.5 伏直流電壓下為 440 毫安 (mA)，但這足以為許多隔離的子電路和變送器前端供電。

圖 4：由于物理定律和相關(guān)法規(guī)要求，提供隔離時(shí)要求在輸入和輸出之間存在用于物理隔離的間隙；Analog Devices 的 LTM8047 尺寸支持 750 伏特的隔離，足以滿足許多應(yīng)用場(chǎng)合的需求。（圖片來源：Analog Devices）

可調(diào)節(jié)性：有用，但要小心

這些現(xiàn)成的 DC/DC 穩(wěn)壓器很少提供固定的預(yù)設(shè)電壓。用戶可以使用由一對(duì)電阻器構(gòu)成的分壓器來設(shè)置電壓。這樣做有諸多優(yōu)點(diǎn)：可以在許多位置使用相同的穩(wěn)壓器，從而簡(jiǎn)化了 BOM；輸出電壓可以“上調(diào)”幾 mV 以補(bǔ)償 IR 壓降（在許多情況下，這不是推薦的做法，但十分常見）；并且可以向上調(diào)節(jié)輸出電壓以適應(yīng)模擬電路中的所需設(shè)置，尤其是射頻，其中涉及指定性能與功耗的權(quán)衡（高電壓提供更好的 SNR 和更寬的帶寬，但代價(jià)是會(huì)增加功耗）。

然而用戶需要認(rèn)識(shí)到，必須在有關(guān)穩(wěn)壓器標(biāo)稱 DC 輸出電壓的任何計(jì)算中考慮到電壓設(shè)置電阻器的穩(wěn)定性和溫度系數(shù)以及熱工作環(huán)境。在較高溫度下，DC 電源軌可能會(huì)漂移出負(fù)載規(guī)格范圍。因此，為此功能選擇具有低溫度系數(shù)的電壓設(shè)置電阻可能是明智的或是必要的，而不是使用像上拉電阻這樣的通用器件，后者可能只適合其他非關(guān)鍵功能。

某些 DC/DC 穩(wěn)壓器提供的另一項(xiàng)設(shè)置功能是選擇開關(guān)頻率（所有這些穩(wěn)壓器都使用開關(guān)拓?fù)洌怀鲇谛屎统叽绲脑?，它們都不是低壓差穩(wěn)壓器，即 LDO）。例如，Maxim Integrated的MAX17536可通過單個(gè)電阻進(jìn)行設(shè)置，工作在 100 千赫 (KHz) 至 2.2 兆赫 (MHz) 的寬頻率范圍內(nèi)（圖 5）。這樣便可對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，以避免其開關(guān)噪聲對(duì)存在頻率重疊的附近電路產(chǎn)生影響，例如 550 至 1600 kHz 的 AM 無線電頻段，或者規(guī)避開包含相關(guān)信號(hào)的特定窄帶。

圖 5：?jiǎn)蝹€(gè)電阻決定了 Maxim MAX17536 穩(wěn)壓器在 100 kHz 至 2.2 MHz 寬頻帶內(nèi)的開關(guān)頻率，因而能夠靈活地將電路或信號(hào)干擾降至最低。（圖片來源：Maxim Integrated）

請(qǐng)注意，電阻和開關(guān)頻率之間的關(guān)系是非線性的，且不是太精確。由于此原因及其他一些原因，MAX17536 可以設(shè)置為與外部電源同步，而不是按其電阻設(shè)置的頻率工作。這樣還能避免與系統(tǒng)中的其他時(shí)鐘源發(fā)生意外的頻率混合以及由此產(chǎn)生的拍頻，后者可能導(dǎo)致細(xì)微且難以診斷的問題。

總結(jié)

這些完整、小巧的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可消除設(shè)計(jì)低壓、中等強(qiáng)度電流（1 安培或以下至 10 安培之間）電源時(shí)存在的大部分風(fēng)險(xiǎn)和棘手問題。然而，與任何元器件一樣，會(huì)有一些公認(rèn)的基本規(guī)則，并且通常只有遵循這些規(guī)則才能實(shí)現(xiàn)成功安裝，發(fā)揮其全部潛力并避開“陷阱”。