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    理想的DC-DC降壓電源模塊:這才是它該有的樣子!

    作者:時間:2022-05-24來源:貿澤電子收藏

    在當今電子系統中,電源管理器件承擔著重要的作用,大多數情況下,它們的工作就是將來自電源的電能——無論是交流還是直流——通過一系列的轉換,調節為各種性能良好的低壓直流電源軌,供系統中的每一個用電負載使用。在這個過程中,少不了降壓轉換器的身影,它們輸入電壓范圍較寬、效率高、封裝小巧,有利于滿足嚴格能效法規的要求,往往“把守”著向最終低壓直流電源軌轉換的最后一環。

    本文引用地址:http://www.eventoempresarial.net/article/202205/434394.htm


    降壓模塊的優勢


    一般來講,實現降壓轉換器的功能有兩種選擇:一種是自己設計,另一種是直接購買現成的DC-DC降壓模塊。前者顯然在定制化方面更具優勢,但對電源工程師的“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設計、工藝要求、EMI等諸多方面的因素,有時候還需要一些“運氣”的成分,因此稍有不慎就可能會影響設計工期或者增加額外的成本。


    而如果選擇后者,即外購DC-DC降壓模塊,雖然顯得沒有前者那么“靈活”,但是由于DC-DC降壓模塊的制造商已經將這個電源系統所需的元器件盡可能地“塞進”一個單一的封裝內,因此外圍的電路大為簡化,開發者無需為電源設計大費周章或承擔不可知的風險;與此同時,集成度的增加也會令整體BOM物料管理得以簡化。


    從性能上來看,DC-DC降壓模塊的制造商利用其專業經驗,還可以在電源轉換效率、尺寸、功率密度等方面進行優化,為用戶提供更大的價值。而且有些制造商還能夠提供經過內部測試認證的產品,以便客戶最終能夠快速順利地通過EMC等認證。


    曾有分析認為,對于大功率范圍(大于100W)和中功率范圍(10W至100W)的電源系統,直接使用DC-DC降壓模塊更具有技術和成本優勢,而對于小于10W的小功率應用,自己設計更劃算。不過,隨著DC-DC降壓模塊技術的日趨成熟,這樣的分界線似乎已經變得模糊了,DC-DC的應用越來越普遍。


    選型中不容忽視的關鍵點


    既然DC-DC降壓模塊的應用場景越來越廣泛,那么如何選型就成了一個關鍵。


    打開一個DC-DC降壓模塊的Datasheet,你會看到一系列描述其性能的參數,如輸入電壓、輸出電壓、效率、額定電流、紋波電壓、轉換率、瞬態響應、封裝尺寸等等。一般來講,根據設計的要求列出電源的規格,然后按圖索驥對照參數,就能鎖定自己的目標。


    不過實際的選型工作并沒有那么簡單,有些在參數之外的關鍵因素,往往會成為選型天平上最重的那個砝碼。


    效率


    數據表上通常會給出一個令人贊嘆的效率數值,但這并不是故事的全部。這是因為DC-DC降壓模塊的效率表現在整個功率范圍內并不一致,接近滿載時效率最高,而在輕負載時則會顯著降低。因此針對輕負載條件下效率的提升是否具有特殊的訣竅,以及在靜態模式下是否具有較低的靜態電流,都應該被納入到選型考量的范圍中。此外,像軟啟動這種能夠顯著降低開關損耗,提升效率的功能,也會為DC-DC降壓模塊在選型評估中贏得加分。


    外形


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


    保護


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


    EMC


    由于DC-DC轉換器開關電源的工作模式,會將噪聲直接引入負載,并產生射頻噪聲,可能對周邊電路的穩定性和精度造成影響,因此必須對其電磁兼容性(EMC)特性進行考察,看產品針對EMI抑制是否有相應的優化設計,以便產品能夠快速通過相關的EMC認證。


    可配置


    根據電源系統設計的需要,對DC-DC模塊的輸出電壓進行重新編程設定,這種可配置特性無疑會為開發工作帶來極大的靈活性,可以用一顆器件去滿足不同設計規格的要求,一方面能夠在不增加成本的基礎上有效降低物料替換帶來的風險,另一方面也能夠減少工程師在電源系統設計上的工作負荷。因此,目前市面上可配置、可編程的DC-DC模塊也越來越多。


    根據設計規格明確了DC/-DC電源系統的主要參數,同時仔細考量上面這幾個關鍵要素,判斷一款DC-DC降壓模塊的“成色”,找到理想的產品和方案就不難了。


    理想的DC-DC降壓模塊


    Microchip公司的系列DC-DC降壓模塊產品,就是順應技術的發展趨勢,按照上面的這些“理想”電源模塊的標準而打造的。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,有固定和可調兩種類型,輸出電流1.2A;在PWM連續工作模式下,提供高達4MHz的恒定開關頻率。


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    圖1:MIC33153同步降壓穩壓器系統框圖

    (圖源:Microchip Technology Inc.)


    “高效率”是MIC33153的一個重要標簽,其峰值效率高達93%。值得關注的是,由于采用了獨特的HyperLight Load??模式,其在輕載模式下的效率表現也不俗,1mA時高達85%。此外,其靜態電流僅為22μA,且支持可編程軟啟動,可以說是將能想到的提升效率的舉措都用足了。


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


    高集成度、小型化、頻率高、瞬態響應快、輸出紋波低,全負載范圍高效率……集諸多優點于一身,這使得MIC33153非常適合在便攜應用中為處理器等關鍵器件提供高品質的電壓軌。


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    圖2:MIC33153典型應用電路

    (圖源:Microchip Technology Inc.)


    上述這些特性優勢,在Microchip其他的DC-DC降壓電源模塊身上也有所體現。


    比如MIC33M350和MIC33M356電源模塊,它們是采用恒定導通時間(COT)控制架構的高效(高達95%)、低壓輸入、3A連續電流同步降壓電源模塊。它們同樣具有HyperLight Load??模式,可在輕負載時提供非常高的效率,同時具有超快的瞬態響應。


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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斷保護、鎖存限流保護等保護特性;在EMI方面滿足CISPR32 Class B輻射EMI標準(MIC33M350還符合CISPR25 Class 5輻射EMI標準),“綜合素質”都很強。


    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VSEL(電壓選擇)引腳設置,可支持最多9個不同電壓值(0.6V、0.8V、0.9V、1.0V、1.2V、1.5V、1.8V、2.5V或3.3V)。這種方法無需外部反饋電阻分壓器,輸出電壓設置精度更高。


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    圖4:MIC33M350系統框圖

    (圖源:Microchip Technology Inc.)


    MIC33M356的輸出電壓配置是通過I2C接口進行編程的,針對不同的產品型號,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兩種不同的默認電壓選項,使應用能夠以安全電壓電平啟動,然后在I2C控制下遷移到高性能模式。


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    圖5:MIC33M356系統框圖

    (圖源:Microchip Technology Inc.)


    同時,MIC33M350引腳分配與基于I2C的MIC33M356可編程穩壓器是兼容的,可根據應用的需要進行替換。這也是一個很贊的設計。


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


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    圖6:MIC33M356典型應用電路

    (圖源:Microchip Technology Inc.)


    本文小結


    DC-DC降壓電源模塊作為一種常見的電源管理器件,應用日趨廣泛。不過,想要為應用選擇到一顆“理想”的DC-DC降壓電源模塊,除了基本的性能參數,還要對這些參數之外的一些關鍵特性進行深入的考量,這樣才能知其然并知其所以然,找到一顆“綜合素質”優秀的產品。


    本文介紹的幾款來自Microchip的DC-DC降壓電源模塊,就是很好的范例,對于外形緊湊、要求高轉換效率的便攜應用,提供了一個性能出色、應用簡便的解決方案。




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