当多就是少时:用更多的稳压器节省宝贵的空间

作者:Bill Schweber

投稿人:Digi-Key 北美编辑

系统或电路板的配电网络(也就是电源树)设计经常在集中式和分散式之间转换。技术和元器件的发展,以及设计要求的变化,推动了这种反复的转换。如果设计人员主要关注的是节省空间来提供其他功能,则可选择使用微型 DC-DC 转换器,它们具备其他的优点。

这些微型 DC-DC 转换器的其他优点包括:让设计人员能够灵活地重新评估电源树拓扑;对板布局造成的约束较少;能够提高性能和效率;并且节省板空间。

本文将讨论超小型 DC-DC 转换器的作用,然后介绍一些示例器件,以及如何最好地应用此类器件。

为什么转向采用超小型转换器?

过去设计人员一般使用较大的中间总线转换器 (IBC) 为相对较大的负载点 (POL) 转换器供电,然后再由这些转换器为包含多个 IC 的相对较大的子系统供电,随着微型降压(降压模式)DC-DC 电源转换器的问世,设计人员逐渐摒弃了这种传统的做法。

取而代之的是,设计人员现在可以选择使用高度分散的微型转换器,并将其放置在临近负载的位置,这些负载可能只是单个 IC 及其支持元件。

使用这些高度分散的 DC-DC 转换器是出于两个原因。首先,新的微型元器件、更高的工作频率(达到兆赫兹 (MHz) 范围)、先进的制造技术、增强的封装的出现,让我们能够获得性能出色且易于使用的 DC-DC 转换器。其次,通过这种方式提供电源轨,还能为电路设计、整体电路板布局和最终产品带来诸多重要和次要的好处。

此外,虽然使用多个小型转换器看似不太直观,但能够真正减小电源子系统的封装尺寸,节省印刷电路板空间,并提供增加特性和功能的机会。

了解细节

我们来了解一下与这些转换器相关的性能和尺寸规格。例如,Texas InstrumentsLMZ10501“纳米”模块是一种降压 DC-DC 转换器,能够驱动高达 1 安培 (A) 的负载(图 1)。

Texas Instruments 的 LMZ10501 DC-DC 转换器示意图

图 1:Texas Instruments 的 LMZ10501 DC-DC 转换器能够提供最高 1 A 的电流,效率高达 95%。(图片来源:Texas Instruments)

虽然达到这样的输出额定值,但它仍然是名副其实的“纳米”元件,因为它采用的是 8 引脚 3.00 毫米 (mm) × 2.60 mm µSIP 封装,其中包括电感器(图 2)。

Texas Instruments 的 LMZ10501 DC-DC 稳压器图片

图 2:LMZ10501 DC-DC 稳压器采用 3.00 mm × 2.60 mm 的 µSIP 封装,其中包括电感器。仰视图显示了它的触头(左图);俯视图主要显示了电感器(右图)。(图片来源:Texas Instruments)

LMZ10501 并非裸器件,它包含基于内部限流功能的软启动功能,以及电流过载保护和热关断功能。在包括基本操作的典型应用中,它只需要输入电容器、输出电容器、小型 VCON 滤波电容器和两个电阻器(图 3)。一体式电感器的直流电流额定值为 1.2 ADC,支持的“软”饱和电流高达 2 A。

Texas Instruments 的 LMZ10501 只需三个小型电容器和两个电阻器示意图

图 3:LMZ10501 只需三个小型电容器和两个电阻器即可工作;相对较大的电感器是 IC 本身的一部分。(图片来源:Texas Instruments)

外部电容器的选择需要慎重考量。为了在尺寸、成本、可靠性和性能之间达到最佳平衡,输入和输出滤波器都应该是低 ESR 的 MLCC 元器件。单个 10 微发 (μF) 电容器(0603 或 0805 规格)的额定电压为 6.3 或 10 伏特,通常适合 VIN 旁路;也可以使用多个 4.7 μF 或 2.2 μF 电容器。

请注意,选择电容值过小的电容器可能由于回路相位裕量较低而导致不稳定。相反,如果输出电容器过大,可能导致启动顺序结束时的输出电压无法达到要求的 0.375 伏特。使用大于推荐值的电容值不会带来明显的好处。

了解尺寸影响

由于电路板空间很小,设计人员可以改变他们的思路,寻找为不同 IC 和其他元器件供电的新方法。这种 µSIP 器件不是将大型电源放置在远离负载的位置(例如印刷电路板的角落),而是在非常靠近负载的位置完成末级稳压。这些器件的另外一大好处是,能够与标准贴片机和焊台完全兼容。

使用多个小型转换器如何节省空间?它们节省空间的地方有些很明显,有些则不然:

  • 由于大量的稳压操作现在是在负载局部完成的,因而可以减少上游电源对高价值、大体积的大容量电容器的需求。
  • 它们允许根据上游 DC-DC 或 AC/DC 电源单元的具体负载情况,量身定制最终的直流电源轨。
  • 由于直流电源轨的位置靠近负载,因而减少了对电源轨上小型旁路电容器的需求。事实上,靠近负载的超微型 DC-DC 转换器不仅提供所需的功率,还能部分或完全充当旁路电容器的角色。
  • 由于它们的位置靠近负载,因而改善了瞬态响应。
  • 这些转换器的尺寸可以单独进行调整,以达到负载和效率之间的最佳平衡。这能提高总体效率,增加散热面积,并减少对风扇或散热器的需求。
  • 这些器件非常薄,因而可以放置在印刷电路板的底部,即使电路板在间距很近的机架或纤薄的外壳中也不受影响。此外,它们还能增强布局灵活性,从而实现节省空间的设计。
  • 它们可以大幅减少“嘈杂”IC 和灵敏 IC 之间的串扰和噪声。
  • 虽然这些转换器没有进行电气隔离,但如果需要小型隔离式转换器,只需针对隔离的功能调整尺寸即可。
  • 最后,还能减少对更宽电路板印制线的需求,从而减少 IR 压降和直流电源轨上的寄生效应,防止它们影响负载侧的瞬态性能。

请注意,这些微型 DC-DC 转换器不仅仅适用于 1 A 以下的负载。例如,同样来自 Texas Instruments 的 TPS82130 MicroSiP™ 电源模块可从 3 至 17 伏的输入提供 3 A 的输出电流,集成了同步降压转换器和电感器,并提供 0.9 至 6 伏的可调节输出电压(图 4)。

来自 Texas Instruments 的 TPS82130 DC-DC 模块示意图

图 4:来自 Texas Instruments 的 TPS82130 DC-DC 模块仅需要少量外部无源元器件,即可从 3 至 17 伏的直流输入实现高达 3 A、0.9 至 6 伏(用户可调节) 的输出。(图片来源:Texas Instruments)

请勿让这里的“模块”字眼所误导,该器件的尺寸仅为 3.0 mm × 2.8 mm × 1.5 mm。相应的性能曲线显示,总体效率在稍高于 1 A 的位置达到峰值,并且在不超过 3 A 满额定值前保持较高水平(图 5)。

TPS82130 DC-DC 的效率曲线图

图 5:只要在较高的负载下工作,TPS82130 DC-DC 的效率就能达到约 60% 或更高的水平,并且在高于 1 A 后达到峰值,因而可以调整尺寸以实现与负载的最优匹配。(图片来源:Texas Instruments)

解决相对时序问题

当系统有多个电源轨时,往往存在与彼此的开启/关断时序相关的问题。时序有三种基本类型:顺序、比率和同步,另外还有各自的变型。所有这些时序都可以使用 TPS82130 上的使能 (EN) 引脚和软启动/跟踪 (SS/TR) 引脚以及一些电阻器和/或电容器来实现(为简单起见,我们假定只有两个电源轨)。

在顺序时序中,第二个器件仅在第一个器件

达到稳压状态后才会开启(图 6)。

配置为顺序时序的多个 TPS82130 单元示意图

图 6:多个 TPS82130 单元可以配置为顺序时序,其中左侧的稳压器先于右侧的稳压器开启。注意:图中的 IC 标记为 TPS62130,TPS82130 已改进规格,但仍保持相同的功能和引脚分配。(图片来源:Texas Instruments)

在比率时序中,两个输出电压同时开始,并同时达到稳压状态(图 7)。之所以称为“比率”时序,是因为两个电压通常是不同的,因而具有不同的 dV/dt 斜率,但它们之间的比率是一个常数。

比率时序配置的示意图(第二个电压上升与第一个电压上升同时开始和结束)

图 7:在比率时序配置中(左图),第二个电压上升与第一个电压上升同时开始和结束(右图),两者之间呈固定比率。(图片来源:Texas Instruments)

最后,在同步启动模式下,两个输出电压的斜率是相同的,因而电压在不同的时间到达稳压状态(图 8)。

同步模式示意图(两个电压同时开始上升)

图 8:在同步模式中,两个电压同时开始上升,但在不同的时间到达稳压状态。(图片来源:Texas Instruments)

除了相对启动顺序之外,我们可能还会关注“软启动”(上电时的电压上升速度),以及实际轨电压彼此之间的相对跟踪。TPS82130 还利用其 SS/TR 连接对此预先做了安排。

如何利用新节省的空间呢?

关于如何利用新节省的空间,存在很多可能性,但选择正确的方式取决于应用的优先级。对于很多设计,首要的考虑是提高电气和机械稳健性,在空间狭小的情况下经常会牺牲这些方面。

这可能意味着在易出故障的 I/O 线路上增加电源箝位和撬棒电路、瞬态电压抑制器和反极性保护。在机械方面,增加额外的印刷电路板支撑和固定螺丝、固定件、电池夹和进行其他结构性改进,这些方法都能有效地利用空间。

接下来需要考虑增加可能有用的额外功能。现在或许有空间放置稍大一些的电池、更大的显示屏和驱动器 IC、更多的 LED 指示灯,甚至增加用户按钮。或许现在还可以选择更大的存储器,即便它需要更大的 IC 封装。使用这些微小的局部 DC-DC 转换器,我们可以节省足够的空间以提供更多的功能,特别是现在增强了板布局的灵活性。

总结

有时,少可能出乎意外的意味着多。随着超微型 DC-DC 降压转换器的问世,我们可将稳压功能放在非常靠近负载的位置,这可能在电气性能、板布局、上游电源单元的尺寸和类型以及散热性能等方面引发连锁效应。

使用超微型转换器会带来一种衍生效应,即它能够在设计的固定外壳中腾出更多板空间,从而实现其他的电气和机械改进,增加新的特性和功能。

参考文献

  1. Texas Instruments, SLVA470A, “Sequencing and Tracking with the TPS621-Family and TPS821-Family

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关于此作者

Bill Schweber

Bill Schweber 是一名电子工程师,撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品特性说明。他担任过 EE Times 的多个特定主题网站的技术管理员,以及 EDN 的执行编辑和模拟技术编辑。

在 Analog Devices, Inc.(模拟和混合信号 IC 的领先供应商)工作期间,Bill 从事营销传播(公共关系),对技术公关职能的两个方面均很熟悉,即向媒体展示公司产品、业务事例并发布消息,同时接收此类信息。

担任 Analog 营销传播职位之前,Bill 在该公司颇受推崇的技术期刊担任副主编,并且还在公司的产品营销和应用工程部门工作过。在此之前,Bill 曾在 Instron Corp. 工作,从事材料测试机器控制的实际模拟和电源电路设计及系统集成。

他拥有电气工程硕士学位(马萨诸塞州立大学)和电气工程学士学位(哥伦比亚大学),是注册专业工程师,并持有高级业余无线电许可证。Bill 还规划、撰写并讲授了关于各种工程主题的在线课程,包括 MOSFET 基础知识、ADC 选择和驱动 LED。

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