匯總DC/DC穩壓器模塊時必須注意的錯誤

設計人員一直在尋找合適的即用型替代品，以提供 1 至 10 安培中等強度電流范圍的低壓 DC 輸出軌，同時滿足基本的性能目標以及效率和法規要求。雖然供應商現在提供許多合適的小型 DC/DC 轉換器/穩壓器來滿足這一需求，但是不應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雜，但這些穩壓器仍然是為負載提供中等強度電流的電源。就模塊而言，所有設計人員需要做的只是添加幾個外部的非關鍵無源器件。但是，這種便利可能會讓設計人員自以為是，導致他們忽略影響所有電源及其電源軌的基礎要素。

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

識別電源設計的“陷阱”

首先，有一些好消息。這些設備的運行效率相對較高，通常在 80% 至 95% 之間，具體取決于特定的型號和工作點。雖然輸出電流處于中等水平，但設計人員仍需要進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，并且不會為系統增加過多的冷卻負擔。

有五個主要的關注點：1) IR 壓降；2) 隔離；3) 輸出可調性；4) 開關噪聲；以及 5) 低阻抗返回路徑。第一步，在選擇特定的 DC/DC 穩壓器之前，設計人員應該先驗證非穩壓 DC 電源能夠提供足夠的電流，同時要考慮到可能還有其他 DC/DC 單元也依賴于該電源。此外，還要確保電源的動態性能足以滿足較高的電流瞬態負載需求，主要是因為這些穩壓器沒有大容量輸出電容器。

IR 壓降：負載太遠了嗎？

在確定元器件、I/O 端口和潛在熱源的位置時，設計人員通常必須面對各種彼此沖突的印刷電路板布局要求。就這方面而言，電源穩壓器可能就是一個具有挑戰性的設備。理想情況下，它應當靠近負載放置，以最大限度地減少 IR 壓降和噪聲拾取，同時減少浪費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，但卻是最容易計算的。即使 DC/DC 穩壓器輸出與其負載之間僅有幾毫歐電阻，也可能導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，但當標稱 DC 電源軌僅為幾伏時，就可能產生顯著的影響。

因此，印刷電路板走線的尺寸必須適當，也可以安裝在單獨的印刷電路板上。應當考慮使用細母線。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。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、更低電阻的系統接地；并最大限度減少可能影響較高頻率性能的接地結構中的寄生效應和非直流阻抗，這樣做與高壓側 DC 電源軌本身一樣重要。當然，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，同時最大限度減少電源軌上的噪聲相關問題。

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程檢測的專用穩壓器架構。這里，穩壓器具有兩個用于電流提供和返回的傳統端子，此外還具有兩個連接在負載上的檢測端子，用于測量該負載處的實際電壓。該穩壓器使用此檢測值作為反饋來調節其輸出電壓，以補償壓降的影響（圖 1）。

圖 1：遠程檢測允許直流電源直接在負載處測量實際的軌電壓，并根據需要動態補償任何 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 壓降可能會影響系統性能和行為一致性。使用遠程檢測，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、負載和溫度存在變化，但 LTM4601 仍可確保負載的電壓精度達到 ±2.0% 或更高。

但請注意，遠程檢測并不是靈丹妙藥。實際上，它在電源和負載之間放置了一個大型反饋回路。如果您將電源穩壓器視為一種功率運算放大器，那么此反饋環路會將電源暴露在噪聲和 EMI/RFI 之下，從而影響閉環性能。甚至，這種環路的存在還可能導致穩壓器不穩定和振蕩。因此，在實現遠程檢測時必須仔細考慮布局。

另一種最小化 IR 影響的方法是在靠近各個負載的位置使用多個較小的穩壓器，而不是集中在某個位置放置一個較大的穩壓器。這會產生一個關于有形“成本”的經典權衡問題，即使用兩個或以上較小、較便宜的單元還是一個較大、較昂貴的單元。雖然 BOM 成本差異是可以量化的，但選擇一個大型器件與多個小型器件的技術影響則難以評估，需要分析以及判斷和經驗。

例如，Texas Instruments的LMZM33602電源模塊采用相對較小的扁平封裝，將降壓轉換器與功率 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 2 安培（圖 1）。它只需要四到五個非關鍵的外部無源元件，并消除了穩壓器設計的環路補償和磁性問題。

圖 2：使用多個像 Texas Instruments 的 LMZM33602 這樣較小尺寸、較低電流的穩壓器可能會增加 BOM，但同時也可以簡化布局并在 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，與使用單個較大的 10 安培單元相比，部署多個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級優勢。

隔離：有時是可選的，但通常是強制性的

對電流隔離的需求（即電路的兩個部分之間沒有任何電阻路徑）可能在某種程度上是有利的，或者是強制性。消除系統接地回路也許有所幫助，因為可能需要連接“浮動”（非接地）變送器，或者必須這樣做以確保高壓電路與醫療器械用戶之間的安全性。對于許多設計人員而言，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，有一個經常被忽視的事實是隔離子電路也需要隔離電源，該電源通常保持相對較低的電流水平。過去，即使對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“購買”通常是不可行的，因為隔離設計在設計或裝配方面都有很大影響。此外，對于許多應用而言，需要對隔離設計和物理實現進行測試和認證以滿足行業和監管標準。這是一個昂貴而復雜的過程。

不過，由于小巧且完全合規和經過認證的隔離式 DC/DC 模塊（例如 Analog Devices 的LTM8047，圖 3）的出現，設計人員可以在很大程度上克服這個問題。使用隔離反激拓撲，可提供 725 VDC的隔離。

圖 3：元器件、拓撲結構和封裝方面的進步使得 Analog Devices 的 LTM8047 穩壓器模塊能夠提供電流隔離，滿足其額定電壓對應的所有相關監管標準，但在用戶看來，它似乎是傳統的非隔離器件。（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，封裝了開關控制器、電源開關和所有支持元器件，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法規要求，提供隔離時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，足以滿足許多應用場合的需求。（圖片來源：Analog Devices）

可調節性：有用，但要小心

這些現成的 DC/DC 穩壓器很少提供固定的預設電壓。用戶可以使用由一對電阻器構成的分壓器來設置電壓。這樣做有諸多優點：可以在許多位置使用相同的穩壓器，從而簡化了 BOM；輸出電壓可以“上調”幾 mV 以補償 IR 壓降（在許多情況下，這不是推薦的做法，但十分常見）；并且可以向上調節輸出電壓以適應模擬電路中的所需設置，尤其是射頻，其中涉及指定性能與功耗的權衡（高電壓提供更好的 SNR 和更寬的帶寬，但代價是會增加功耗）。

然而用戶需要認識到，必須在有關穩壓器標稱 DC 輸出電壓的任何計算中考慮到電壓設置電阻器的穩定性和溫度系數以及熱工作環境。在較高溫度下，DC 電源軌可能會漂移出負載規格范圍。因此，為此功能選擇具有低溫度系數的電壓設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鍵功能。

某些 DC/DC 穩壓器提供的另一項設置功能是選擇開關頻率（所有這些穩壓器都使用開關拓撲；出于效率和尺寸的原因，它們都不是低壓差穩壓器，即 LDO）。例如，Maxim Integrated的MAX17536可通過單個電阻進行設置，工作在 100 千赫 (KHz) 至 2.2 兆赫 (MHz) 的寬頻率范圍內（圖 5）。這樣便可對其進行設置，以避免其開關噪聲對存在頻率重疊的附近電路產生影響，例如 550 至 1600 kHz 的 AM 無線電頻段，或者規避開包含相關信號的特定窄帶。

圖 5：單個電阻決定了 Maxim MAX17536 穩壓器在 100 kHz 至 2.2 MHz 寬頻帶內的開關頻率，因而能夠靈活地將電路或信號干擾降至最低。（圖片來源：Maxim Integrated）

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

總結

這些完整、小巧的 DC/DC 轉換器可消除設計低壓、中等強度電流（1 安培或以下至 10 安培之間）電源時存在的大部分風險和棘手問題。然而，與任何元器件一樣，會有一些公認的基本規則，并且通常只有遵循這些規則才能實現成功安裝，發揮其全部潛力并避開“陷阱”。