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理想的DC-DC降壓電源模塊:這才是它該有的樣子!

發(fā)布時(shí)間:2022-05-24 來(lái)源:貿(mào)澤電子 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】在當(dāng)今電子系統(tǒng)中,電源管理器件承擔(dān)著重要的作用,大多數(shù)情況下,它們的工作就是將來(lái)自電源的電能——無(wú)論是交流還是直流——通過(guò)一系列的轉(zhuǎn)換,調(diào)節(jié)為各種性能良好的低壓直流電源軌,供系統(tǒng)中的每一個(gè)用電負(fù)載使用。在這個(gè)過(guò)程中,少不了DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器的身影,它們輸入電壓范圍較寬、效率高、封裝小巧,有利于滿(mǎn)足嚴(yán)格能效法規(guī)的要求,往往“把守”著向最終低壓直流電源軌轉(zhuǎn)換的最后一環(huán)。


DC-DC降壓模塊的優(yōu)勢(shì)


一般來(lái)講,實(shí)現(xiàn)DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器的功能有兩種選擇:一種是自己設(shè)計(jì),另一種是直接購(gòu)買(mǎi)現(xiàn)成的DC-DC降壓模塊。前者顯然在定制化方面更具優(yōu)勢(shì),但對(duì)電源工程師的“功力”也有更高的要求,他們必須要能夠綜合考慮的綜合特性、PCB設(shè)計(jì)、工藝要求、EMI等諸多方面的因素,有時(shí)候還需要一些“運(yùn)氣”的成分,因此稍有不慎就可能會(huì)影響設(shè)計(jì)工期或者增加額外的成本。


而如果選擇后者,即外購(gòu)DC-DC降壓模塊,雖然顯得沒(méi)有前者那么“靈活”,但是由于DC-DC降壓模塊的制造商已經(jīng)將這個(gè)電源系統(tǒng)所需的元器件盡可能地“塞進(jìn)”一個(gè)單一的封裝內(nèi),因此外圍的電路大為簡(jiǎn)化,開(kāi)發(fā)者無(wú)需為電源設(shè)計(jì)大費(fèi)周章或承擔(dān)不可知的風(fēng)險(xiǎn);與此同時(shí),集成度的增加也會(huì)令整體BOM物料管理得以簡(jiǎn)化。


從性能上來(lái)看,DC-DC降壓模塊的制造商利用其專(zhuān)業(yè)經(jīng)驗(yàn),還可以在電源轉(zhuǎn)換效率、尺寸、功率密度等方面進(jìn)行優(yōu)化,為用戶(hù)提供更大的價(jià)值。而且有些制造商還能夠提供經(jīng)過(guò)內(nèi)部測(cè)試認(rèn)證的產(chǎn)品,以便客戶(hù)最終能夠快速順利地通過(guò)EMC等認(rèn)證。


曾有分析認(rèn)為,對(duì)于大功率范圍(大于100W)和中功率范圍(10W至100W)的電源系統(tǒng),直接使用DC-DC降壓模塊更具有技術(shù)和成本優(yōu)勢(shì),而對(duì)于小于10W的小功率應(yīng)用,自己設(shè)計(jì)更劃算。不過(guò),隨著DC-DC降壓模塊技術(shù)的日趨成熟,這樣的分界線(xiàn)似乎已經(jīng)變得模糊了,DC-DC電源模塊的應(yīng)用越來(lái)越普遍。


選型中不容忽視的關(guān)鍵點(diǎn)


既然DC-DC降壓模塊的應(yīng)用場(chǎng)景越來(lái)越廣泛,那么如何選型就成了一個(gè)關(guān)鍵。


打開(kāi)一個(gè)DC-DC降壓模塊的Datasheet,你會(huì)看到一系列描述其性能的參數(shù),如輸入電壓、輸出電壓、效率、額定電流、紋波電壓、轉(zhuǎn)換率、瞬態(tài)響應(yīng)、封裝尺寸等等。一般來(lái)講,根據(jù)設(shè)計(jì)的要求列出電源的規(guī)格,然后按圖索驥對(duì)照參數(shù),就能鎖定自己的目標(biāo)。


不過(guò)實(shí)際的選型工作并沒(méi)有那么簡(jiǎn)單,有些在參數(shù)之外的關(guān)鍵因素,往往會(huì)成為選型天平上最重的那個(gè)砝碼。


效率


數(shù)據(jù)表上通常會(huì)給出一個(gè)令人贊嘆的效率數(shù)值,但這并不是故事的全部。這是因?yàn)镈C-DC降壓模塊的效率表現(xiàn)在整個(gè)功率范圍內(nèi)并不一致,接近滿(mǎn)載時(shí)效率最高,而在輕負(fù)載時(shí)則會(huì)顯著降低。因此電源模塊針對(duì)輕負(fù)載條件下效率的提升是否具有特殊的訣竅,以及在靜態(tài)模式下是否具有較低的靜態(tài)電流,都應(yīng)該被納入到選型考量的范圍中。此外,像軟啟動(dòng)這種能夠顯著降低開(kāi)關(guān)損耗,提升效率的功能,也會(huì)為DC-DC降壓模塊在選型評(píng)估中贏得加分。


外形


隨著電子產(chǎn)品日趨小型化,外形更緊湊的DC-DC降壓模塊顯然會(huì)更受歡迎。提升集成度,是控制電源模塊外形尺寸普遍采用的方法。很多同步降壓DC-DC 模塊中會(huì)集成控制器、MOSFET、補(bǔ)償元件,甚至包括電感器,因此只需少量的非關(guān)鍵的外部電容器和電阻器,即可完成應(yīng)用電路的設(shè)計(jì),令占板面積大大減少。


保護(hù)


在基本的電源管理功能之外,保護(hù)功能也是不少DC-DC降壓模塊為用戶(hù)提供的附加值。欠壓鎖定(UVLO)、短路和熱保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)(OVP)和過(guò)流保護(hù)(OCP)等保護(hù)功能的集成,一方面能夠確保系統(tǒng)安全可靠地工作,另一方面也節(jié)省了片外保護(hù)元器件,可謂是一舉多得。


EMC


由于DC-DC轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)電源的工作模式,會(huì)將噪聲直接引入負(fù)載,并產(chǎn)生射頻噪聲,可能對(duì)周邊電路的穩(wěn)定性和精度造成影響,因此必須對(duì)其電磁兼容性(EMC)特性進(jìn)行考察,看產(chǎn)品針對(duì)EMI抑制是否有相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì),以便產(chǎn)品能夠快速通過(guò)相關(guān)的EMC認(rèn)證。


可配置


根據(jù)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要,對(duì)DC-DC模塊的輸出電壓進(jìn)行重新編程設(shè)定,這種可配置特性無(wú)疑會(huì)為開(kāi)發(fā)工作帶來(lái)極大的靈活性,可以用一顆器件去滿(mǎn)足不同設(shè)計(jì)規(guī)格的要求,一方面能夠在不增加成本的基礎(chǔ)上有效降低物料替換帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn),另一方面也能夠減少工程師在電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的工作負(fù)荷。因此,目前市面上可配置、可編程的DC-DC模塊也越來(lái)越多。


根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)格明確了DC/-DC電源系統(tǒng)的主要參數(shù),同時(shí)仔細(xì)考量上面這幾個(gè)關(guān)鍵要素,判斷一款DC-DC降壓模塊的“成色”,找到理想的產(chǎn)品和方案就不難了。


理想的DC-DC降壓模塊


Microchip公司的系列DC-DC降壓模塊產(chǎn)品,就是順應(yīng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),按照上面的這些“理想”電源模塊的標(biāo)準(zhǔn)而打造的。下面這兩顆料就非常有代表性。


MIC33153是一款高效的同步降壓穩(wěn)壓器,其輸入電壓范圍為2.7V至5.5V,輸出電壓范圍為0.62V至3.6V,有固定和可調(diào)兩種類(lèi)型,輸出電流1.2A;在PWM連續(xù)工作模式下,提供高達(dá)4MHz的恒定開(kāi)關(guān)頻率。


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圖1:MIC33153同步降壓穩(wěn)壓器系統(tǒng)框圖

(圖源:Microchip Technology Inc.)


“高效率”是MIC33153的一個(gè)重要標(biāo)簽,其峰值效率高達(dá)93%。值得關(guān)注的是,由于采用了獨(dú)特的HyperLight Load??模式,其在輕載模式下的效率表現(xiàn)也不俗,1mA時(shí)高達(dá)85%。此外,其靜態(tài)電流僅為22μA,且支持可編程軟啟動(dòng),可以說(shuō)是將能想到的提升效率的舉措都用足了。


MIC33153將完整的DC-DC降壓轉(zhuǎn)化功能集成在一個(gè)14針3.0mm x 3.5mm的QFN封裝內(nèi),包括電感以及一系列電路保護(hù)功能。模塊的外部只需兩個(gè)很“小”的輸出電容(2.2μF),就能保證在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)輸出紋波電壓都非常低,并具有超快的瞬態(tài)響應(yīng)。


高集成度、小型化、頻率高、瞬態(tài)響應(yīng)快、輸出紋波低,全負(fù)載范圍高效率……集諸多優(yōu)點(diǎn)于一身,這使得MIC33153非常適合在便攜應(yīng)用中為處理器等關(guān)鍵器件提供高品質(zhì)的電壓軌。


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圖2:MIC33153典型應(yīng)用電路

(圖源:Microchip Technology Inc.)


上述這些特性?xún)?yōu)勢(shì),在Microchip其他的DC-DC降壓電源模塊身上也有所體現(xiàn)。


比如MIC33M350和MIC33M356電源模塊,它們是采用恒定導(dǎo)通時(shí)間(COT)控制架構(gòu)的高效(高達(dá)95%)、低壓輸入、3A連續(xù)電流同步降壓電源模塊。它們同樣具有HyperLight Load??模式,可在輕負(fù)載時(shí)提供非常高的效率,同時(shí)具有超快的瞬態(tài)響應(yīng)。


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圖3:MIC33M350和MIC33M356電源模塊

(圖源:Microchip Technology Inc.)


這兩款電源模塊還具有鎖存熱關(guān)斷保護(hù)、鎖存限流保護(hù)等保護(hù)特性;在EMI方面滿(mǎn)足CISPR32 Class B輻射EMI標(biāo)準(zhǔn)(MIC33M350還符合CISPR25 Class 5輻射EMI標(biāo)準(zhǔn)),“綜合素質(zhì)”都很強(qiáng)。


特別值得一提的是,這兩款電源模塊還提供了靈活的可配置性。MIC33M350的輸出電壓由兩個(gè)VSEL(電壓選擇)引腳設(shè)置,可支持最多9個(gè)不同電壓值(0.6V、0.8V、0.9V、1.0V、1.2V、1.5V、1.8V、2.5V或3.3V)。這種方法無(wú)需外部反饋電阻分壓器,輸出電壓設(shè)置精度更高。


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圖4:MIC33M350系統(tǒng)框圖

(圖源:Microchip Technology Inc.)


MIC33M356的輸出電壓配置是通過(guò)I2C接口進(jìn)行編程的,針對(duì)不同的產(chǎn)品型號(hào),支持的電壓范圍分別為0.6V至1.28V(分辨率5mV)或者0.6V至3.84V(分辨率10mV和20mV)。MIC33M356提供0.9V和1.0V兩種不同的默認(rèn)電壓選項(xiàng),使應(yīng)用能夠以安全電壓電平啟動(dòng),然后在I2C控制下遷移到高性能模式。


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圖5:MIC33M356系統(tǒng)框圖

(圖源:Microchip Technology Inc.)


同時(shí),MIC33M350引腳分配與基于I2C的MIC33M356可編程穩(wěn)壓器是兼容的,可根據(jù)應(yīng)用的需要進(jìn)行替換。這也是一個(gè)很贊的設(shè)計(jì)。


上述這些特性,加上2.4V至5.5V輸入電壓范圍、低關(guān)斷電流和低靜態(tài)電流、高效散熱的24引腳QFN封裝等特性,使得MIC33M350和MIC33M356非常適合用于單節(jié)鋰離子電池供電應(yīng)用。


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圖6:MIC33M356典型應(yīng)用電路

(圖源:Microchip Technology Inc.)


本文小結(jié)


DC-DC降壓電源模塊作為一種常見(jiàn)的電源管理器件,應(yīng)用日趨廣泛。不過(guò),想要為應(yīng)用選擇到一顆“理想”的DC-DC降壓電源模塊,除了基本的性能參數(shù),還要對(duì)這些參數(shù)之外的一些關(guān)鍵特性進(jìn)行深入的考量,這樣才能知其然并知其所以然,找到一顆“綜合素質(zhì)”優(yōu)秀的產(chǎn)品。


本文介紹的幾款來(lái)自Microchip的DC-DC降壓電源模塊,就是很好的范例,對(duì)于外形緊湊、要求高轉(zhuǎn)換效率的便攜應(yīng)用,提供了一個(gè)性能出色、應(yīng)用簡(jiǎn)便的解決方案。



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