DC-DC轉(zhuǎn)換器需要在各種功率和復(fù)雜條件下工作。在一些較低的功率水平上，可以采用自己設(shè)計(jì)和“自己制造”的策略，但是對(duì)于更高功率，預(yù)先組裝的模塊會(huì)變得具有更高的性價(jià)比。目前新的“微型模塊”已經(jīng)開始轉(zhuǎn)向服務(wù)更低的功率水平。
大多數(shù)電子設(shè)備都會(huì)采用DC-DC轉(zhuǎn)換。它可能是在AC - DC轉(zhuǎn)換器中的整流之后，或者在沒有隔離的情況下只是將5V降至3.3V。憑借教科書和元器件供應(yīng)商提供的參考設(shè)計(jì)和交互式計(jì)算器工具，能夠?qū)Α白约簞?dòng)手”設(shè)計(jì)提供相當(dāng)多的支持。公平地說，想出一種滿足簡(jiǎn)單、低功率要求的“相當(dāng)好”的解決方案并不難，并且您可能會(huì)自己確信，對(duì)于實(shí)現(xiàn)這些簡(jiǎn)單功能，所花費(fèi)的設(shè)計(jì)時(shí)間、資格認(rèn)證、組件采購和組裝成本等都非常值得。
增大的功率意味著更高的復(fù)雜性
隨著功率水平的提高，一切都變得更加困難，而且由于功率增大，其他參數(shù)也開始變得至關(guān)重要。在5W時(shí)，75%的“不錯(cuò)”效率只代表了很小的損耗。但是在50W時(shí)，75%的效率與同類領(lǐng)先的超過95%的效率之間的差異會(huì)非常大，其結(jié)果可能是，一個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)會(huì)遇到尷尬的散熱問題，另一個(gè)則相對(duì)于冷卻運(yùn)行，一個(gè)需要散熱器，而另一個(gè)則不需要。隨著功率的增大，電磁干擾(EMI)等其他參數(shù)開始出現(xiàn)問題。例如，隨著電流的增大，良好的動(dòng)態(tài)負(fù)載階躍(load-step)性能對(duì)于處理器和ASIC/FPGA而言變得非常重要。對(duì)于這些部件，必須嚴(yán)格控制負(fù)載階躍時(shí)的電壓過沖和欠壓。此外，對(duì)于更高功率的應(yīng)用，需要進(jìn)行控制、監(jiān)測(cè)和保護(hù)，DC-DC自然會(huì)在其中執(zhí)行更為關(guān)鍵的任務(wù)。
如果需要進(jìn)行隔離，則會(huì)涉及磁性元件的使用，情況會(huì)變得更加復(fù)雜。磁學(xué)方面的優(yōu)化很少能夠從教科書中的理論得到，而仿真和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)在其中更為重要。在安全機(jī)構(gòu)的隔離要求得到滿足之后，還必須考慮另一個(gè)全球性兼容標(biāo)準(zhǔn)的問題。
假設(shè)你是一個(gè)具備所有這些領(lǐng)域技能的天才工程師，但是PCB布局人員必須在剩余的有限空間中配置你的分立型設(shè)計(jì)。而且，采購人員必須以低成本找到你所需要的定制磁性元件，同時(shí)還不能需要特殊的裝配技術(shù)。這是一個(gè)相當(dāng)大的問題，需要大量的權(quán)衡和妥協(xié)。
是自己設(shè)計(jì)還是購買
我們已經(jīng)提出了關(guān)于“自己設(shè)計(jì)還是購買”的熟見的爭(zhēng)論，當(dāng)然，這些并不總是可以一刀切。最終的生產(chǎn)批量或許能夠證明對(duì)分立型設(shè)計(jì)的投資是合理的，因?yàn)榭梢员M可能降低BOM成本，但上市時(shí)間會(huì)受到影響。相對(duì)于少量(一、兩美分)的BOM成本節(jié)省，提前兩個(gè)月將產(chǎn)品推向市場(chǎng)的價(jià)值會(huì)是什么?分立型設(shè)計(jì)中涉及的風(fēng)險(xiǎn)和不確定性對(duì)財(cái)務(wù)的影響是什么?因此，自己設(shè)計(jì)還是購買會(huì)是一個(gè)復(fù)雜的決定，而不是一個(gè)單純靜態(tài)的問題。即使你通過進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析，顯示出用模塊和分立部件在不同生產(chǎn)批量下對(duì)于設(shè)計(jì)成本回報(bào)的影響(圖1)，也仍存在無法量化的因素，例如更快的上市時(shí)間。
圖1：投資回報(bào)的分析示例。
許多控制IC可用于開關(guān)，線性設(shè)計(jì)可使設(shè)計(jì)人員的工作在某種程度上更輕松一些，每天都會(huì)出現(xiàn)具有更多具有改進(jìn)功能的新部件。關(guān)于這些IC的參考設(shè)計(jì)對(duì)于某個(gè)解決方案可能是一個(gè)很好的起點(diǎn)，但是如果要考慮使用它們，則必須轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的目標(biāo)產(chǎn)品，并達(dá)到相同的電氣EMI和安全性能。
傳統(tǒng)上，在電流低于2A的情況下，可能會(huì)優(yōu)先選擇分立型解決方案 。高于10A時(shí)，購買現(xiàn)成的模塊可能會(huì)帶來一些好處，如SIP安裝以節(jié)省電路板空間。在2A和10A之間，可能不太明確哪一種是最佳解決方案。在模塊的機(jī)械形式方面，在這些電流水平上通常采用的通孔可能看起來很笨重，很難安裝，并且相當(dāng)不靈活。
μModules是另一種選擇
還有另一種可供選擇的方案需要考慮，即來自凌力爾特公司(Linear Technology Corporation，LTC)的μModule?器件，凌力爾特現(xiàn)在是ADI公司的一部分，這種器件正在彌補(bǔ)分立元件和全模塊解決方案之間的差距。這些被稱為“單封裝電源系統(tǒng)”的部件在隔離和非隔離版本中都集成有轉(zhuǎn)換器的磁性元件，同時(shí)整個(gè)模塊可作為一個(gè)SMT組件進(jìn)行組裝。μModule的出現(xiàn)滿足了低功率和高功率之間的設(shè)計(jì)需求，并可在更大的電流范圍內(nèi)采用μModule，而只在更小的功率下采用分立方案才具有吸引力。
圖2：μModule DC/DC穩(wěn)壓器用一個(gè)簡(jiǎn)單的微型易安裝模塊可以取代包含主動(dòng)和被動(dòng)分立元件的復(fù)雜PCB。 (來源：LTC)
μModules引人注目的一部分優(yōu)勢(shì)是其能夠明確地證明所采用的技術(shù)具有在分立型設(shè)計(jì)中無法實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)(圖3)。專有的LTC硅芯片與磁性元件、功率MOSFET和被動(dòng)元件集成在一個(gè)尺寸小至6.25 x 6.25mm的封裝內(nèi)，可用于3A降壓型穩(wěn)壓器，器件高度可減小到1.82mm。例如，這種超薄封裝允許將部件設(shè)計(jì)在PCB的背面或處理器表面散熱器之下。
圖3：典型的μModule結(jié)構(gòu)。(來源：LTC)
該功率范圍的模塊擁有超過100種不同的變體，分為15個(gè)產(chǎn)品系列，包括升壓和降壓轉(zhuǎn)換器、可配置升壓/降壓、逆變型、電池充電器、LED驅(qū)動(dòng)器和數(shù)字電源管理等類型。具有隔離功能的部件可提供725VDC額定電壓和經(jīng)過認(rèn)可的2kVAC。
LTM8045 μModule
我們這里來看其中一個(gè)器件的應(yīng)用案例。LTM8045(圖4)可以配置為“降壓 - 升壓”轉(zhuǎn)換器，具有一個(gè)比輸入更高或更低的負(fù)輸出，該器件或可作為SEPIC(單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器)，其輸出可以比輸入更低或更高，但極性為正。該器件的輸入電壓范圍是2.8～18V，輸出可在2.5V～15V之間進(jìn)行編程，電壓為2.5V時(shí)的最大額定電流為700mA。開關(guān)頻率可設(shè)置在200kHz和2MHz之間，可通過外部控制實(shí)現(xiàn)同步。峰值效率高達(dá)80%以上，具體取決于配置。器件集成了軟啟動(dòng)、欠壓鎖定和使能(enable)等功能，所有這些都集成在一個(gè)11.25 x 6.25 x 4.92mm 的BGA封裝內(nèi)。若要構(gòu)成一個(gè)完整的解決方案，只需一個(gè)小的輸入和輸出電容，以及可選的功能設(shè)置電阻。
圖4：LTM8045 μModule。(來源：LTC)
該范圍內(nèi)不同組合器件的特征總結(jié)如下：
·用于安全和功能隔離應(yīng)用的非隔離式和機(jī)構(gòu)額定值隔離部件
·超低噪聲，符合嚴(yán)格的EN55022 Class B EMI要求
·無縫降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換，尤其是輸入電壓范圍可高于和低于輸出電壓，例如電池供電應(yīng)用
·單個(gè)μModule具有多個(gè)輸出(2、3、4或5個(gè))，可以采用并聯(lián)方式來增大電流，同時(shí)保持單個(gè)器件的開關(guān)
·數(shù)字輸入/輸出(I/O)接口，通過串行總線可以由穩(wěn)壓器或者對(duì)穩(wěn)壓器進(jìn)行“讀取”和“寫入”設(shè)置，用于密切監(jiān)控和控制
·遠(yuǎn)程感測(cè)可以抵消大電流應(yīng)用中穩(wěn)壓器輸出和負(fù)載之間電阻降低的影響
·可以進(jìn)行幾個(gè)μModule穩(wěn)壓器的串聯(lián)(或并聯(lián))，以實(shí)現(xiàn)更高功率，并向負(fù)載均勻分配電流
·將正電壓轉(zhuǎn)換為負(fù)輸出的逆變穩(wěn)壓器
·可調(diào)節(jié)補(bǔ)償能夠改變?chǔ)蘉odule環(huán)路響應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)設(shè)定的輸出和瞬態(tài)響應(yīng)、補(bǔ)償負(fù)載行為和輸出電容類型
·超薄封裝，因而穩(wěn)壓器可以安裝在空間受限的電路板底部，或安裝在FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)或ASIC(專用集成電路)及其頂部的散熱器/冷卻板之間
每個(gè)μModule變體都附帶有相關(guān)的演示板、用戶手冊(cè)、布局指南和其他的綜合性文檔。器件和完整設(shè)計(jì)的仿真模型能夠采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LTspice?格式提供。
總之，μModule器件會(huì)促使設(shè)計(jì)師重新評(píng)估自己設(shè)計(jì)或購買的決定。 這些部件具有多種功能選擇，完全符合質(zhì)量要求，并已經(jīng)達(dá)到機(jī)構(gòu)認(rèn)證所需的高級(jí)別性能指標(biāo)。所有關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)都具有非常明確的優(yōu)勢(shì)：性能、尺寸、成本以及最終產(chǎn)品上市時(shí)間的縮短。一個(gè)額外的好處是，可調(diào)節(jié)補(bǔ)償和數(shù)字控制/監(jiān)控等功能可以為終端應(yīng)用增添更多價(jià)值。
