DC/DC電源轉換器設計原理介紹

當今利用現有的組件、參考設計、工具和資源來設計一個基礎且好用的DC/DC電源穩壓器（或稱為電源轉換器）已經不是一件難事了，設計者需要將合適的控制IC、MOSFET晶體管、驅動電路以及一些無源器件組合起來，理論上整個設計就完成了，能夠對輸入DC直流電壓進行轉換和穩壓同時輸出DC直流電壓（見圖1）。

圖1：原則上講穩壓器的功能非常的簡單明了：采用穩定的DC輸入電源，經過嚴格的調節后輸出直流電壓提供給系統使用

然而這只是理論上的，我們還面臨著嚴酷的現實，作一個“相對好的”設計已經不再夠用了，雖然這樣的設計能夠滿足一些基本的性能參數，比如輸出精度、穩壓效果等，但是要記住這些“基本的”參數只是現代穩壓器必須具備的一小部分，此外對動態性能、各種負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峻。

我們來討論一下電源穩壓器眾多要求中一些關鍵點，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），有些情況要求更嚴格。然后是動態性能需要對線路和負載的變化作出快速響應，但是要想波動或者不穩定性降低到最小，穩壓器還必須具備針對各種故障的保護功能，比如過電流（包括負載短路）、過電壓/欠電壓以及過熱等情況。

出于多種原因，效率和EMI/RFI標準通常是最難以滿足的，首先這些要求都非常嚴格，此外這些標準因國家和地區存在差異，因此需要全面認真的來理解。為了使其更具挑戰性，電源的效率必須滿足激活、待機等其他操作模式下的要求，此外效率和EMI/RFI性能都必須由適當的實驗室或者機構進行測試和認真，PCB布局和BOM清單一個小的變化都會影響效率和EMI/RFI的性能，因此需要全面的測試認證。

除了這些基本的性能要求外，穩壓器還必須確保體積小、成本低、BOM器件簡單、電源相關組件的生產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，這些需求之間會存在交集和沖突，因此有效的權衡分析和折中是必不可少的。

從功率等級開始

當然并不是所有電源穩壓器設計都很艱巨，但是設計和動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計相對簡單，這樣的設計可以利用市場上眾多可用的低壓降（“線性”）的穩壓器（LDOs）或者開關穩壓器，這些組件的性能也是適中的，大多數情況下都能夠滿足設計性能參數。

中等功率范圍的設計所面臨的挑戰在不斷增加，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，之前小型化設計的問題和缺陷就被逐步放大，廠家提供的參考設計經過測試和驗證，一開始我們采用這些設計固然是方便的，但是并不保證適用所有的場景。

對于采用數十安培或者更高電流范圍的應用，其電源穩壓器的設計和制造困難會呈指數級增大，這些設計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，有太多的因素使穩壓器設計實現變得困難，一些組件可能需要安裝支架或者螺絲、更大的散熱片，設計空氣流通路徑，在更高電流下進行性能測試很困難，因為主要是測試設計是否符合更嚴格的效率和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），設計必須符合高壓隔離標準以及各子部件之間的兼容要求。

因此中端高功率的穩壓器設計人員們往往面臨產品面市需要更長的時間，更昂貴的BOM以及高度的不確定性和風險，因為穩壓器的性能在終端產品設計中顯得越來越重要，尤其涉及到產品的接受度以及推廣方面。事實上如果只提供一個“空白的”設計實現而沒有一個好的參考設計作為出發點那么無疑會面臨艱巨的挑戰，即使有參考設計，隨著電流（或功率）的增加會出現復雜的調試等問題。

當然對于MIY（自己設計）也有一些代替方案，比如購買完整的穩壓器設計。傳統上制造和購買的邊界是根據2A和10A電流來劃分的：低于2A可以自己設計制造，高于10A可以選擇購買成熟的設計。這取決用于什么場景從而作出一定的妥協。在大多數情況下，購買選項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）封裝在環氧樹脂的黑盒中，這些模塊會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和它們所面臨的日益嚴格的效率問題、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?系列高性能調節器，目前凌力爾特公司（LTC）隸屬于ADI公司。如圖2所示，這些嵌入式器件結合了先進的設計、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”的設計場景有了更多的選擇，但是只對于那些低于2A的低電流應用才有實際意義。

圖2：μModule DC/DC調節器取代了復雜的PC板卡，不需要再使用有源和無源的分立式元件，最終是一個簡單微型的嵌入式器件

目前μModule 模塊由超過100多個不同的單元組成，共分為15個系列，滿足各種應用場景的性能需求，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μModule都是一個全面集成的DC/DC電源解決方案，作為完整的系統級封裝它具有：電感、MOSFET、DC/DC穩壓器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μModule單元都包括必要的電感、MOSFET、穩壓器IC以及所有支持的組件，它是一個高度集成的封裝單元

然而μModule單元不僅僅是簡單基本的DC-in/DC-out穩壓器，目前提供的版本還包括以下功能特性：

? 超低的噪聲，可滿足某些應用嚴格的EN55022 Class B等級要求

? 無縫降壓-升壓轉換，這在電源電壓標稱輸出值（完全充電）到低于該值（放電）的范圍內時是非常重要的。

? 單個μModule支持多路輸出（2/3/4或5路），允許輸出電流共享，在開關操作以及輸出次序上電過程中保證電流負載

? 數字輸入/輸出（I/O）接口，通過串口總線可以對這些穩壓器進行“讀取”狀態和“寫入”設置操作，這些情況下可以進行密切的檢測和控制

? 遠程感應可以抵消在較高電流的情況下穩壓器輸出和負載之間IR下降的影響

? 多個μModule穩壓器之間支持電流共享（或并聯），提供高功率同時向負載均勻分配電流

? 極性反轉，在給定輸出電壓是正的情況下，穩壓器輸出必須為負極

? 可調諧補償，根據負載特性以及輸出電容類型、數量來調整補償來實現精確的輸出和瞬態響應，從而實現穩壓器的環路改變響應

? 超薄封裝，因此穩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。

兩個μModule應用示例展示了功能特性的多樣性

鑒于μModule產品的15個系列具有如此多的器件，沒有明確的典型單元模塊或者兩個類似的例子，因此我們選擇兩個應用示例來展示多種可用的功能和特性。

LMT8045（見圖4）是一款DC/DC轉換器，可以通過簡單的將某些輸出電源接地將其配置為SEPIC（單端初級電感轉換器）或者反向轉換器。在SEPIC配置中，穩壓輸出電壓可以高于、低于或等于輸入電壓，LTM8045包括功率器件、電感、控制電路和無源組件，使用它的必要條件是輸入和輸出電容以及小電阻器來設置輸出電壓和開關頻率，其他組件可以用于控制軟啟動和欠壓鎖定，示例板卡（見圖5）簡化了各種模式和性能評估的設置。

圖4：LMT8045是一款支持2.8V到18V輸入，多拓撲結構的DC/DC μModule單元，在升壓模式或降壓模式下能夠提供高達700mA的輸出電流

圖5：示例板卡允許用戶評估該板卡在多種不同模式下的性能

LTM8047（圖6）是一款隔離性反激式μModule DC/DC 轉換器，隔離額定值為725VDC。其封裝包括切換控制器、電源開關、隔離變壓器和所有支持的組件。它的工作輸入電壓范圍從3.1V到32V，輸出工作電壓范圍從2.5V到12V，這些設置都是由一個電阻來調節。在這個設計中輸出、輸入和旁路電容是必需的（如圖7）。

圖6：使用LTM8047 μModule，用戶可以簡單快速的實現能夠隔離750VDC的轉換器，采用小型化封裝，同時提供較高的性能

圖7：這塊示例板卡支持用戶使用獨立的兼容設計，而無需考慮詳細的隔離細節

μModule的一些優勢： 有些顯而易見，有些不明顯

μModule 器件的第一個優勢非常的明顯：每個器件都是一個解決方案，省去了頭疼的設計問題和麻煩，每個器件都具有給定的性能指標和效率參數，用戶可選擇的范圍也很多，不必在基本功能或者性能方面做出妥協，所選擇的器件單元將能夠完全滿足系統的要求，所有關鍵的設計要素都可以查到：體積、成本和嚴格的上市時間，并且每個器件單元都會滿足相關規則的要求，從而確保效率、安全，因此用戶測試和驗證的時間成本幾乎為零。

除了這些因素，每個μModule都包括用戶手冊、示例板卡（見圖8）等資料，設計者同樣也需要預先模擬整個系統的性能，因此每個μModule都會提供LTspice模型（見圖9和圖10）和詳細的技術支持文檔，最后每個μModule都通過了凌力爾特公司嚴格的電氣封裝和熱可靠性測試，獲得了全面的認證。

圖8：每個μModule都會提供示例板卡、用戶手冊、layout指南和其他技術支持文檔

圖9：穩壓器模型作為系統的一部分是非常關鍵的，LTSpice模型和模擬可以用于比如雙路13A/單路26A的常規設計中

圖10：模型的仿真會展示一些關鍵特性，比如整個工作過程中的效率和功率損失分析

重新定義決策框架

對于2A以下的DC/DC穩壓器，MIY（“自己設計”）的方式是明智的：采用LDO、開關ICs以及參考設計。然而高于這個閾值后，MIY方式就會有一定的風險，時間成本也難以評估，特別是對于效率和EMI/RFI要求非常嚴格的方面。

在此范圍之上是存在更好的解決方案的，LTC/ADI μModule 系列——15個產品系列、100個電源產品以及30中封裝選擇——能夠幫助設計團隊快速實現電源穩壓器的設計與驗證，借助一個或者多個這些單元可以大大簡化設計實現、驗證以及生產，將這些單元集成為一個高性能的穩壓器并且采用微型封裝是完全可以滿足系統的需要，從而可以節省BOM成本，降低系統風險，并且縮短產品上市的時間。