如何微型模塊重新定義DC/DC電源穩(wěn)壓器（一）分析

當(dāng)今利用現(xiàn)有的組件、參考設(shè)計(jì)、工具和資源來設(shè)計(jì)一個(gè)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(jì)者需要將合適的控制IC、MOSFET晶體管、驅(qū)動(dòng)電路以及一些無源器件組合起來，理論上整個(gè)設(shè)計(jì)就完成了，能夠?qū)斎?a target="_blank">DC直流電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓同時(shí)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(yán)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(yán)酷的現(xiàn)實(shí)，作一個(gè)“相對好的”設(shè)計(jì)已經(jīng)不再夠用了，雖然這樣的設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)性能、各種負(fù)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(yán)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(diǎn)，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(yán)格。然后是動(dòng)態(tài)性能需要對線路和負(fù)載的變化作出快速響應(yīng)，但是要想波動(dòng)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(hù)功能，比如過電流（包括負(fù)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(biāo)準(zhǔn)通常是最難以滿足的，首先這些要求都非常嚴(yán)格，此外這些標(biāo)準(zhǔn)因國家和地區(qū)存在差異，因此需要全面認(rèn)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(jī)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(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)室或者機(jī)構(gòu)進(jìn)行測試和認(rèn)真，PCB布局和BOM清單一個(gè)小的變化都會(huì)影響效率和EMI/RFI的性能，因此需要全面的測試認(rèn)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(huì)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(dāng)然并不是所有電源穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)都很艱巨，但是設(shè)計(jì)和動(dòng)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(jì)相對簡單，這樣的設(shè)計(jì)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(jì)性能參數(shù)。

中等功率范圍的設(shè)計(jì)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(jì)的問題和缺陷就被逐步放大，廠家提供的參考設(shè)計(jì)經(jīng)過測試和驗(yàn)證，一開始我們采用這些設(shè)計(jì)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(jì)和制造困難會(huì)呈指數(shù)級增大，這些設(shè)計(jì)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(jì)實(shí)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(jì)空氣流通路徑，在更高電流下進(jìn)行性能測試很困難，因?yàn)橹饕菧y試設(shè)計(jì)是否符合更嚴(yán)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(jì)必須符合高壓隔離標(biāo)準(zhǔn)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(jì)人員們往往面臨產(chǎn)品面市需要更長的時(shí)間，更昂貴的BOM以及高度的不確定性和風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)榉€(wěn)壓器的性能在終端產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(shí)上如果只提供一個(gè)“空白的”設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)而沒有一個(gè)好的參考設(shè)計(jì)作為出發(fā)點(diǎn)那么無疑會(huì)面臨艱巨的挑戰(zhàn)，即使有參考設(shè)計(jì)，隨著電流（或功率）的增加會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的調(diào)試等問題。

當(dāng)然對于MIY（自己設(shè)計(jì)）也有一些代替方案，比如購買完整的穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)。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(jì)制造，高于10A可以選擇購買成熟的設(shè)計(jì)。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(xiàng)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(huì)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(yán)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(jìn)的設(shè)計(jì)、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(jì)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(shí)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(gè)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(gè)不同的單元組成，共分為15個(gè)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(gè)μModule都是一個(gè)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(gè)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(gè)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：

輸入與輸出之間的電隔離，對于應(yīng)用的安全性和性能是必需的。

超低的噪聲，可滿足某些應(yīng)用嚴(yán)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(biāo)稱輸出值（完全充電）到低于該值（放電）的范圍內(nèi)時(shí)是非常重要的。

單個(gè)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(fù)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(jìn)行“讀取”狀態(tài)和“寫入”設(shè)置操作，這些情況下可以進(jìn)行密切的檢測和控制

遠(yuǎn)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(fù)載之間IR下降的影響

多個(gè)μModule穩(wěn)壓器之間支持電流共享（或并聯(lián)），提供高功率同時(shí)向負(fù)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(fù)極

可調(diào)諧補(bǔ)償，根據(jù)負(fù)載特性以及輸出電容類型、數(shù)量來調(diào)整補(bǔ)償來實(shí)現(xiàn)精確的輸出和瞬態(tài)響應(yīng)，從而實(shí)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。