從物聯網 (IoT)、臨床醫療設備和可穿戴設備，到智能建筑、智能傳感器和數不勝數的消費類產品，電子器件無處不在，隨處可見。無論其主要電源是線路供電 AC-DC 轉換器還是電池，所面臨的挑戰都是為這些器件提供一個或多個適當調節、性能良好的低壓直流電源軌。這些器件中的降壓 DC-DC 子系統除了提供精密調節這一主要功能（通常在寬輸入電壓范圍內工作）外，還必須要外形小巧、高效、電氣噪聲小，并滿足嚴格的法規要求。
設計人員有兩種明確的選擇來提供這種直流電源：他們可以設計和構建（“自制”）自己的 DC-DC 子系統，也可以選擇外購完整且隨時可用的現成模塊。“自制”在定制化方面有其優勢，但可能會增加成本和造成延遲，因為電源設計的成功綜合了技術、工藝、藝術和一些運氣等因素。直到最近，選擇“自制還是外購”確定邊界是：對于大功率范圍 (>100 W) 和中功率范圍（>~10 W 至 <~ 100 W）的電源，外購具有技術和成本優勢；而對于小功率范圍 (<~10 W) 的電源，則往往采用“自制”。設計人員可以使用低壓差穩壓器 (LDO) 或開關穩壓器 IC，再加上一些外部無源器件來自制降壓裝置。
但是現在，由于對上市時間的要求越來越嚴格，加上元器件創新漸漸走向微型完整模塊方向，即使對于較低的功率水平，外購也是更具吸引力和明智的選擇。
本文將以來自 Maxim Integrated 的 Himalaya uSLIC 降壓 DC-DC 電源模塊系列為例，介紹與較小 DC-DC 功率輸送有關的關鍵參數、性能要求和解決方案。
基本性能只是開始
與其他電源一樣，小功率降壓 DC-DC 穩壓器的特征首先在于幾個基本參數：輸入電壓范圍、輸出電壓設置（固定或可調）和最大輸出電流。這些是起始參數。另外，還有其他與質量有關的因素，包括不同負載下的調節和穩定性、紋波電流及瞬態性能。此外，還有欠壓鎖定 (UVLO)、短路和熱保護、過壓保護 (OVP) 和過流保護 (OCP) 等有價值的特性。
重要參數列表中還包括運行效率。在某些情況下，需要高能效來滿足“綠色”法規要求，盡管這些法規對小功率電源的要求不如對中、大功率電源那么嚴格。更高的能效還有助于延長電池供電型應用的運行時間，并且在標稱負載和低負載條件下，以及靜態模式下都很重要。即使是以交流線路作為主電源，運行時間不由能效決定，最大限度地降低能耗和熱負載仍然至關重要。
電磁干擾 (EMI) 方面的考慮也是一個受法規驅動的因素，分為兩個方面：
· 首先，DC-DC 穩壓器不得易受“輸入”EMI 和噪聲的影響，因為這將影響其性能及其供電對象。
· 它們不得是輻射和傳導 EMI 的來源，允許的 EMI 限值取決于最終應用（如消費類、汽車、工業和醫療應用）、功率范圍和頻率。
要使產品通過認證以滿足各種 EMI 要求是一個復雜且耗時的過程，需要兼具設計和測試方面的專業知識。
在討論電源穩壓器的功能要求時，還不能忽略另外兩個因素：尺寸和成本。一般來說，尺寸越小越好，而且這常常是必需的，但對于外形尺寸較大的產品來說，這可能不是最優先考慮的問題。當然，低成本總是受歡迎的優勢，盡管其相對重要性由應用要求決定。
“自制還是外購”有了新的評估標準
在自制與外購決策之間顯然需要權衡取舍，包括考慮潛在因素的相對權重。例如，解決方案尺寸更小有多少價值？提高一個方面的性能需要付出多少成本？例如，2 MHz 開關穩壓器的尺寸比基本規格相當的 1 MHz 開關穩壓器小，但由于在較高頻率下工作損耗增加，其能效可能會降低。
鑒于市面上有許多明顯易用的高性能 DC-DC 穩壓器 IC 可用于較低的功率水平，似乎“自制”是一個明智的決定。然而，現實情況卻越來越非如此。這是由多種因素累積而成的，這些因素包括對電路性能的諸多要求和“自制”的相關風險，例如投產、尋找相關無源器件的挑戰，以及嚴格的測試/認證要求。
電感器使這一情況更加明朗
開關穩壓器需要一個小型電感器來存儲能量，而該電感器無法片上制造。從原理上講，電感器是一個幾乎微不足道的元器件，其初始模型特征僅為電感和直流電阻。理論上，當設計人員掌握了這兩個因素的值后，就可以進行 DC-DC 穩壓器的建模和設計。
但實際上，事情并不那么簡單，即使是在簡化的“改進型”電感器模型中，包含的自電容也是頻率的函數（圖 1）。
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圖 1：即使是簡單電感器的等效電路也有一定的復雜性，其模型隨會電感器工作頻率的變化而變化。（圖片來源：Springer Nature Switzerland AG）
單一“正確”模型并不存在，更為詳細的高級模型還包括難以評估的寄生元件（圖 2）。
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圖 2：隨著電感器使用頻率的升高，等效電路會產生更多細微差別，其中一些取決于電感器位置、鄰近元件和印刷電路板。（圖片來源：Sonnet Software, Inc.）
電感器的物理尺寸和位置使得該模型復雜化；甚至其位置或方向的細微變化也會改變模型的精度，并影響性能、EMI 和能效。隨著開關頻率擴展到兆赫范圍，模型更要控制這些額外因素。
此外，有經驗的工程師大多都碰到過這種問題：有時采購部門或生產工廠會用類似的元件來代替工程師在物料清單 (BOM) 上列出的特定供應商和型號。這種“無傷大雅”的替換似乎沒什么問題，因為這些不同器件的主要規格完全相同。然而，更細微的元件次要規格可能會存在差異，以致 DC-DC 穩壓器的性能與構建、測試和認證的性能有所不同，無法按通過測試和發布的方式工作。
由于這些和其他原因，使用眾多可用穩壓器 IC 之一和幾個無源器件的自行“制造”方式，在性能、合規性和上市時間方面的風險越來越大。這樣一來，使用可行替代方案的“外購”看起來更具吸引力。
天平強烈傾向于“外購”
過去幾年來，小功率范圍的外購格局發生了巨大變化。現在，Maxim Integrated 的 Himalaya uSLIC 降壓 DC-DC 電源模塊系列器件為設計人員提供了諸多選擇。這些模塊沒有性能和尺寸上的權衡或妥協，也沒有“自制”的風險。
Himalaya uSLIC 系列包括兩款固定輸出器件 MAXM17630（3.3 V 輸出）和 MAXM17631（5 V 輸出），以及由電阻設置的可調節 MAXM17632（0.9 V 至 12 V 輸出）——均具有 1 A 的電流能力。這些同步降壓 DC-DC 模塊均包括集成控制器、MOSFET、補償元件和電感器。內置整個輸出電壓范圍補償電路消除了對外部補償元件的需求，由于外部補償元件必須與穩壓器的工作模式相匹配，因此往往難以選擇。
這些模塊具有 4.5 V 至 36 V 的寬輸入范圍；其他 uSLIC 模塊的輸入電壓可高達 60 V，這對于工業設計非常有用。該模塊系列的反饋電壓調節精度為 ±1.2%。這些模塊包含過熱保護功能，額定環境工作溫度為 -40℃ 至 +125℃。
另外，這些模塊只需要幾個非關鍵外部電阻器和低成本的陶瓷電容器就可以工作并建立工作特性（圖 3）。
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圖 3：MAXM17631 屬于易于配置和使用的 Maxim Himalaya uSLIC 系列 DC-DC 降壓電源模塊的一員；注意，沒有可見的電感器。(圖片源：Maxim Integrated)
這些模塊是“純硬件”，不需要考慮軟件啟動或設置端口。雖然它們不是 IC，但看起來確實很像。內部電感器封裝在 16 引腳微型超薄封裝中，尺寸僅為 3 mm × 3 mm × 1.75 mm，底部集成導熱墊（圖 4）。
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圖 4：Maxim 的 Himalaya uSLIC 系列器件具有 16 個引腳，尺寸僅為 3 mm × 3 mm × 1.75 mm；這些封裝底部還有導熱墊，以簡化散熱。(圖片源：Maxim Integrated)
盡管尺寸小巧，但 Himalaya uSLIC 模塊性能高、易于使用且配置靈活。它們支持 400 kHz 至 2.2 MHz 的可調工作頻率，并提供外部時鐘同步選項。此外，無需擔心電源模塊會成為無法滿足嚴格 EMI 要求的原因，因為這些器件符合 CISPR 22 (EN 55022) B 類傳導和放射輻射要求（圖 5 和圖 6）。
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圖 5：Maxim 的 Himalaya uSLIC 系列器件可輕松滿足 CISPR 22 (EN 55022) B 類傳導輻射的限值。(圖片源：Maxim Integrated)
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圖 6：Maxim 的 Himalaya uSLIC 系列器件也低于 CISPR 22 (EN 55022) B 類放射輻射的限值。(圖片源：Maxim Integrated)
此外，這些模塊還符合 JESD22-B103、B104 和 B111 抗跌落、沖擊和振動標準；在“自制”設計中，滿足這些標準是符合電氣性能要求之外的額外負擔。
為什么不使用 LDO 代替？
低壓差穩壓器 (LDO) 每年在不計其數的應用中得到廣泛使用，滿足了許多應用的需求。這些器件易于應用，并且幾乎沒有輸出噪聲。然而，隨著輸出電流的增大，以及電源軌與其輸出之間電壓差的增大，它們的能效會降低。在許多小功率應用中，這些器件似乎是相當有吸引力的解決方案，可以提供穩壓輸出，盡管能效方面稍有欠缺。
但是，事實往往并非如此。以空間受限的光學接近傳感器為例，該傳感器需要由標稱 24 V 的直流電源（即 19.2 V DC 至 30 V DC）以 80 mA 電流提供 5 V 的電壓（圖 7）。
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圖 7：在這個緊湊的光學接近傳感器設計示例中，微型 uSLIC 模塊可用于以 80 mA 電流有效提供 5 V 電壓。(圖片源：Maxim Integrated)
標準 LDO 與 MAXM17532 uSLIC 電源模塊（0.9 至 5.5 V 輸出，100 mA 器件）的對比分析匯總顯示出巨大的差異（表 1）。
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表 1：與 LDO 相比，使用 uSLIC 大大節省了電能，整體耗散功率的差異也是如此，約為使用 LDO 解決方案時的 5%。（圖片來源：Maxim Integrated）
uSLIC 電源解決方案的能效是 LDO 的四倍，標稱 24 V 輸入時的耗散功率只有 LDO 解決方案的 1/19（約為 5%）；當直流輸入為 30 V 時，此差異更大（此分析的詳細信息及其他示例見參考文獻 1）。
完整卻可配置
盡管 uSLIC 器件是采用峰值電流模式控制架構的“密封”模塊，但用戶仍有機會在三種工作模式中任選其一。這樣就可以選擇與應用優先級和權衡因素最匹配的性能屬性，不必在訂購零件時進行選擇，而是由設計人員根據需要通過封裝引腳的適當連接來實現。因此，同一器件可以通過不同模式用于多個產品，甚至可以在同一產品中使用多個模式，從而簡化了 BOM，并允許在設計后期進行更改。
這三種模式分別是：
? 脈沖寬度調制 (PWM) 模式：內部電感器電流允許為負。這種工作模式在頻率敏感型應用中很有用，在所有負載下均可提供固定開關頻率操作。但是，與其他兩種模式相比，它在輕負載條件下能效較低。
? 脈沖頻率調制 (PFM) 模式：此模式禁用了電感器的負輸出電流，由于電源提供的靜態電流較小，因此在輕負載條件下能效更高。缺點是與其他工作模式相比，輸出電壓紋波較大，并且在輕負載條件下開關頻率不恒定。
? 斷續導電模式 (DCM)：此模式可在輕負載條件下禁用電感器的負電流，因而亦可實現高能效，并且相比 PFM 模式，可在更小的負載條件下實現恒頻工作。DCM 模式的能效介于 PWM 和 PFM 模式之間，輸出電壓紋波與 PWM 模式相當，相比 PFM 模式則較小。
對于這些 uSLIC 模塊，用戶還可以通過使用可選外部電容器來設置啟動時間等因素。該特性在電源定序和上升斜率至關重要的多軌設計中非常有用。
現成模塊消除了特征化工作
選擇“自制”方案的工程師所面臨的眾多任務之一是在各種靜態和動態操作條件下，使用許多不同的參數正確評估其最終產品。這是一項費時費力的工作，同時很有可能會出現意外錯誤。在眾多的要求中，有一條是必須仔細且有效地控制負載。
相比之下，設計團隊在使用 Maxim 的 Himalaya uSLIC 模塊時可以跳過這一步。由于這些器件是完整的模塊，因此從輸入引腳到輸出電源軌，規格書中都有完整的特征描述。除了電氣特征表外，還有一百多個確定性能的圖表，涵蓋了能效與負載電流的關系、輸出電壓與負載電流的關系、輸出電壓紋波、負載瞬態響應、啟動和關閉性能，以及波特圖等因素，所有這些都涵蓋了廣泛的工作條件，其中包括始終重要的溫度。此外，還提供了功能強大的設計和仿真工具，以便將模塊的性能表現集成到更大的系統級仿真中。
快速上手
雖然 Maxim 的 uSLIC 模塊易于應用并提供全特征化性能以及仿真模型，但設計人員可能仍然需要對其功能有一些“上手”感，并培養對這些微型器件的舒適感。由于 uSLIC 非常小，Maxim 提供了 MAXM17630EVKIT# 評估板，用于加速評估（圖 8）。該評估板包含三個相鄰的獨立部分，分別用于 MAXM17630、MAXM17631 和 MAXM17632 模塊。
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圖 8：通過三個相鄰且獨立的部分，Maxim 的 MAXM17630EVKIT# 評估板直接支持 MAXM17630、MAXM17631 和 MAXM17632 三個模塊的配置和評估。(圖片源：Maxim Integrated)
該評估板允許用戶在任何一種基本工作模式（PWM、PFM 和 DCM）下練習和評估 uSLIC 操作、在需要時與外部時鐘同步、啟用和禁用模塊，以及更改 UVLO 設置。在初始設置中，評估板將 MAXM17630 模塊 (3.3 V @ 1 A) 配置為在 4.5 V 至 36 V 輸入范圍內以 900 kHz 的開關頻率工作；MAXM17631 模塊 (5 V @ 1 A) 配置為在 7 V 至 36 V 輸入范圍內以 1.250 MHz 的開關頻率工作；MAXM17632 可調模塊 (13 V @ 1 A) 配置為在 20 V 至 36 V 輸入范圍內以 2.150 MHz 的開關頻率工作。
規格書中詳細介紹了評估板的原理圖，以及頂層和底層電路板布局及阻焊層。使用該評估板只需單個 0 至 36 V 的 1 A 直流電源、數字萬用表，以及在 3.3 V、5 V 和 12 V 下灌入最大 1 A 電流的負載電阻器。該套件的印刷電路板布局還采用了特殊設計，以限制電源轉換器開關節點的放射輻射，從而使放射輻射低于 CISPR22 B 類限值。
此外，制造商還發現使用評估板時，評估配置與最終的設計配置并不相同。因此，它提供了可選的電解電容器，用于抑制熱插拔期間可能出現或由長輸入電纜（通常在評估設置中使用，但在實際應用中不會使用）引起的輸入電壓尖峰和振蕩。這些電纜布設在輸入電源和套件電路之間，因此可能會因電纜電感引起輸入電壓振蕩。該電解電容器的等效串聯電阻 (ESR) 有助于抑制可能引起的振蕩。
結語
Maxim 的 Himalaya uSLIC 模塊明確證明：即使在相對較低的 DC-DC 降壓轉換器功率水平下，“自制與外購”的天平現在也強烈傾向于外購。這些模塊尺寸小巧、具有全特征化性能、符合 EMI 和能效法規要求，并且簡化了最終產品 BOM，因此成為合理的選擇。
來源：Digi-Key
作者：Bill Schweber
