從物聯(lián)網(wǎng) (IoT)、臨床醫(yī)療設(shè)備和可穿戴設(shè)備，到智能建筑、智能傳感器和數(shù)不勝數(shù)的消費類產(chǎn)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(zhuǎn)換器還是電池，所面臨的挑戰(zhàn)都是為這些器件提供一個或多個適當(dāng)調(diào)節(jié)、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(tǒng)除了提供精密調(diào)節(jié)這一主要功能（通常在寬輸入電壓范圍內(nèi)工作）外，還必須要外形小巧、高效、電氣噪聲小，并滿足嚴(yán)格的法規(guī)要求。
設(shè)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(shè)計和構(gòu)建（“自制”）自己的 DC-DC 子系統(tǒng)，也可以選擇外購?fù)暾译S時可用的現(xiàn)成模塊。“自制”在定制化方面有其優(yōu)勢，但可能會增加成本和造成延遲，因為電源設(shè)計的成功綜合了技術(shù)、工藝、藝術(shù)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(shù)和成本優(yōu)勢；而對于小功率范圍 (<~10 W) 的電源，則往往采用“自制”。設(shè)計人員可以使用低壓差穩(wěn)壓器 (LDO) 或開關(guān)穩(wěn)壓器 IC，再加上一些外部無源器件來自制降壓裝置。
但是現(xiàn)在，由于對上市時間的要求越來越嚴(yán)格，加上元器件創(chuàng)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(guān)的關(guān)鍵參數(shù)、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(wěn)壓器的特征首先在于幾個基本參數(shù)：輸入電壓范圍、輸出電壓設(shè)置（固定或可調(diào)）和最大輸出電流。這些是起始參數(shù)。另外，還有其他與質(zhì)量有關(guān)的因素，包括不同負(fù)載下的調(diào)節(jié)和穩(wěn)定性、紋波電流及瞬態(tài)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(shù)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(guī)要求，盡管這些法規(guī)對小功率電源的要求不如對中、大功率電源那么嚴(yán)格。更高的能效還有助于延長電池供電型應(yīng)用的運行時間，并且在標(biāo)稱負(fù)載和低負(fù)載條件下，以及靜態(tài)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(fù)載仍然至關(guān)重要。
電磁干擾 (EMI) 方面的考慮也是一個受法規(guī)驅(qū)動的因素，分為兩個方面：
要使產(chǎn)品通過認(rèn)證以滿足各種 EMI 要求是一個復(fù)雜且耗時的過程，需要兼具設(shè)計和測試方面的專業(yè)知識。
在討論電源穩(wěn)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(chǎn)品來說，這可能不是最優(yōu)先考慮的問題。當(dāng)然，低成本總是受歡迎的優(yōu)勢，盡管其相對重要性由應(yīng)用要求決定。
“自制還是外購”有了新的評估標(biāo)準(zhǔn)
在自制與外購決策之間顯然需要權(quán)衡取舍，包括考慮潛在因素的相對權(quán)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(guān)穩(wěn)壓器的尺寸比基本規(guī)格相當(dāng)?shù)?1 MHz 開關(guān)穩(wěn)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(wěn)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(xiàn)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(guān)風(fēng)險，例如投產(chǎn)、尋找相關(guān)無源器件的挑戰(zhàn)，以及嚴(yán)格的測試/認(rèn)證要求。
電感器使這一情況更加明朗
開關(guān)穩(wěn)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(dāng)設(shè)計人員掌握了這兩個因素的值后，就可以進行 DC-DC 穩(wěn)壓器的建模和設(shè)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(shù)（圖 1）。
圖 1：即使是簡單電感器的等效電路也有一定的復(fù)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(xì)的高級模型還包括難以評估的寄生元件（圖 2）。
圖 2：隨著電感器使用頻率的升高，等效電路會產(chǎn)生更多細(xì)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(fù)雜化；甚至其位置或方向的細(xì)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(guān)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(jīng)驗的工程師大多都碰到過這種問題：有時采購部門或生產(chǎn)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(yīng)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(guī)格完全相同。然而，更細(xì)微的元件次要規(guī)格可能會存在差異，以致 DC-DC 穩(wěn)壓器的性能與構(gòu)建、測試和認(rèn)證的性能有所不同，無法按通過測試和發(fā)布的方式工作。
由于這些和其他原因，使用眾多可用穩(wěn)壓器 IC 之一和幾個無源器件的自行“制造”方式，在性能、合規(guī)性和上市時間方面的風(fēng)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(fā)生了巨大變化。現(xiàn)在，Maxim Integrated 的 Himalaya uSLIC 降壓 DC-DC 電源模塊系列器件為設(shè)計人員提供了諸多選擇。這些模塊沒有性能和尺寸上的權(quán)衡或妥協(xié)，也沒有“自制”的風(fēng)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(shè)置的可調(diào)節(jié) 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(nèi)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(wěn)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(yè)設(shè)計非常有用。該模塊系列的反饋電壓調(diào)節(jié)精度為 ±1.2%。這些模塊包含過熱保護功能，額定環(huán)境工作溫度為 -40℃ 至 +125℃。
另外，這些模塊只需要幾個非關(guān)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）。
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(shè)置端口。雖然它們不是 IC，但看起來確實很像。內(nèi)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(dǎo)熱墊（圖 4）。
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(dǎo)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(diào)工作頻率，并提供外部時鐘同步選項。此外，無需擔(dān)心電源模塊會成為無法滿足嚴(yán)格 EMI 要求的原因，因為這些器件符合 CISPR 22 (EN 55022) B 類傳導(dǎo)和放射輻射要求（圖 5 和圖 6）。
圖 5：Maxim 的 Himalaya uSLIC 系列器件可輕松滿足 CISPR 22 (EN 55022) B 類傳導(dǎo)輻射的限值。(圖片源：Maxim Integrated)
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(biāo)準(zhǔn)；在“自制”設(shè)計中，滿足這些標(biāo)準(zhǔn)是符合電氣性能要求之外的額外負(fù)擔(dān)。
為什么不使用 LDO 代替？
低壓差穩(wěn)壓器 (LDO) 每年在不計其數(shù)的應(yīng)用中得到廣泛使用，滿足了許多應(yīng)用的需求。這些器件易于應(yīng)用，并且?guī)缀鯖]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(yīng)用中，這些器件似乎是相當(dāng)有吸引力的解決方案，可以提供穩(wěn)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(xué)接近傳感器為例，該傳感器需要由標(biāo)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）。
圖 7：在這個緊湊的光學(xué)接近傳感器設(shè)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(biāo)準(zhǔn) 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）。
| 器件能效輸入功率功率耗散MAXM1753283%482 mW82 mWLDO21%1920 mW1520 mWMAXM17532/LDO 比值395%25%1/19 |
表 1：與 LDO 相比，使用 uSLIC 大大節(jié)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(biāo)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(dāng)直流輸入為 30 V 時，此差異更大（此分析的詳細(xì)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(gòu)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(yīng)用優(yōu)先級和權(quán)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(shè)計人員根據(jù)需要通過封裝引腳的適當(dāng)連接來實現(xiàn)。因此，同一器件可以通過不同模式用于多個產(chǎn)品，甚至可以在同一產(chǎn)品中使用多個模式，從而簡化了 BOM，并允許在設(shè)計后期進行更改。
這三種模式分別是：
? 脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 模式：內(nèi)部電感器電流允許為負(fù)。這種工作模式在頻率敏感型應(yīng)用中很有用，在所有負(fù)載下均可提供固定開關(guān)頻率操作。但是，與其他兩種模式相比，它在輕負(fù)載條件下能效較低。
? 脈沖頻率調(diào)制 (PFM) 模式：此模式禁用了電感器的負(fù)輸出電流，由于電源提供的靜態(tài)電流較小，因此在輕負(fù)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(fù)載條件下開關(guān)頻率不恒定。
? 斷續(xù)導(dǎo)電模式 (DCM)：此模式可在輕負(fù)載條件下禁用電感器的負(fù)電流，因而亦可實現(xiàn)高能效，并且相比 PFM 模式，可在更小的負(fù)載條件下實現(xiàn)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(dāng)，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(shè)置啟動時間等因素。該特性在電源定序和上升斜率至關(guān)重要的多軌設(shè)計中非常有用。
現(xiàn)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(wù)之一是在各種靜態(tài)和動態(tài)操作條件下，使用許多不同的參數(shù)正確評估其最終產(chǎn)品。這是一項費時費力的工作，同時很有可能會出現(xiàn)意外錯誤。在眾多的要求中，有一條是必須仔細(xì)且有效地控制負(fù)載。
相比之下，設(shè)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(guī)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(fù)載電流的關(guān)系、輸出電壓與負(fù)載電流的關(guān)系、輸出電壓紋波、負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)、啟動和關(guān)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(shè)計和仿真工具，以便將模塊的性能表現(xiàn)集成到更大的系統(tǒng)級仿真中。
快速上手
雖然 Maxim 的 uSLIC 模塊易于應(yīng)用并提供全特征化性能以及仿真模型，但設(shè)計人員可能仍然需要對其功能有一些“上手”感，并培養(yǎng)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。
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(xí)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(shè)置。在初始設(shè)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(nèi)以 900 kHz 的開關(guān)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(nèi)以 1.250 MHz 的開關(guān)頻率工作；MAXM17632 可調(diào)模塊 (13 V @ 1 A) 配置為在 20 V 至 36 V 輸入范圍內(nèi)以 2.150 MHz 的開關(guān)頻率工作。
規(guī)格書中詳細(xì)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(shù)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(fù)載電阻器。該套件的印刷電路板布局還采用了特殊設(shè)計，以限制電源轉(zhuǎn)換器開關(guān)節(jié)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(fā)現(xiàn)使用評估板時，評估配置與最終的設(shè)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(xiàn)或由長輸入電纜（通常在評估設(shè)置中使用，但在實際應(yīng)用中不會使用）引起的輸入電壓尖峰和振蕩。這些電纜布設(shè)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(lián)電阻 (ESR) 有助于抑制可能引起的振蕩。
結(jié)語
Maxim 的 Himalaya uSLIC 模塊明確證明：即使在相對較低的 DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器功率水平下，“自制與外購”的天平現(xiàn)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(guī)要求，并且簡化了最終產(chǎn)品 BOM，因此成為合理的選擇。
參考文獻：
“ments/white-papers/meeting-the-efficiency-and-power-dissipation-needs-of-space-constrained-applications.pdf" target="_blank">Meeting the Efficiency and Power Dissipation Needs of Space-Constrained Applications”
“How to Efficiently Power Tiny Industrial Sensors”
應(yīng)用說明 6417，“ments/app-notes/6/6417.html" target="_blank">Assembly Guidelines for uSLIC Packages”
