使用配备高可靠性元器件的模块化平台，简化 DC/DC 稳压器的一致性评估

DC/DC 开关稳压器是各类应用中的电源传输基础，但为特定设计选择最优拓扑及配套元器件仍是一项重大挑战。设计人员通常会面临一个耗时的过程，需要多块单独的评估板和不一致的测试设置，才能满足板级空间、效率、热性能和电磁干扰 (EMI) 的要求。

设计人员需要的是一种结构化评估方法，即通过在一致且可重复的测试条件下，对多种转换器拓扑结构进行直接比较，加快功率级的选择。同样重要的是，这种方法必须基于高可靠性无源器件与互连元件，且不同子模块之间具有高度一致的稳定性能，以确保测量结果的差异只反映稳压器和电感器的选型差异，而非测试基础设施本身的差异。

本文首先讨论稳压器设计和评估所面临的挑战。然后介绍来自 Würth Elektronik 的元器件，并说明这些元器件如何为 Microchip Technology 设计的模块化平台提供坚实的基础，从而实现可靠的 DC/DC 转换器评估。

传统方法为何难以直接比较稳压器？

在为新设计评估 DC/DC 开关稳压器时，工程师面临着涉及稳压器拓扑结构和工作特性的多项决策。实际应用中，采用升压、降压还是恒流 LED 驱动级拓扑架构，通常取决于具体的应用。对于每种稳压器类型，目标运行环境都包含对输入电压范围、输出电压和负载电流的广泛要求，以及对静态电流、欠压锁定 (UVLO)、输出断开、脉冲频率调制/脉冲宽度调制 (PFM/PWM) 运行和保护机制等功能的具体要求。

除了这些要求之外，稳压器选型工作还会进一步复杂化 —— 需要在相互制约的多个指标之间寻求平衡，包括受限板空间、转换效率、热性能以及 EMI。有限的电路板空间迫使设计人员选择更小的无源器件和更紧凑的布局，但这可能会降低性能。必须在实际负载电流下，对转换效率和热特性进行特性表征，以确保稳压器及其配套无源器件能够在应用的占空比范围内稳定工作，且温升始终在可接范围内。EMI 特性通常只有在评估周期的后半程才会显现，即布局、开关频率和电感器特性已经确定之后。

传统评估方法通常为每一款候选稳压器配备独立的专用评估板，各板的布局、连接器类型和无源器件都各不相同。采用这种方法，设计人员难以直接比较不同类型的稳压器并评估其运行特性。此外，设计人员并未将打大部分时间用于稳压器评估，而是用于反复组装多个原型，这最终使测试结果的难以直接比较，进而在产品上市进度日益紧迫的压力下，放缓整个评估周期。

基于 Würth Elektronik 的元器件组合，Microchip 的 BB22H52A Building Block Solutions Switchers (BBS-SW) 开发板提供了一个模块化评估平台，可助力设计人员在一致的测试条件下高效评估多个 DC/DC 开关稳压器配置。

采用统一平台应对 DC/DC 稳压器评估时的各项挑战

Microchip 的 BB22H52A BBS-SW 板（图 1）采用模块化架构，在单块印刷电路板（PCB 板）上搭载七个独立的 DC/DC 转换器子模块，解决了评估难题。该评估板上的每个子模块都实现了不同的开关稳压器，且具有各自的输入和输出端子、使能 (EN) 网络和专用无源器件组，同时所有子模块共享统一的板层堆叠、接地基准和连接器标准。

图 1：BB22H52A BBS-SW 单板搭载七组独立 DC/DC 转换器子模块，整板采用统一板层堆叠设计，可在相同测试条件下开展直接对比评估。（图片来源：Microchip Technology）

七个子模块代表三个不同的拓扑类别，输入电压范围为 1.5 V 至 50 V，输出电压范围为 3.3 V 至 24 V，输出电流范围为 100 mA 至 1 A（图 2）。其特性包括低静态电流 (I_Q) 电池工作模式、可编程 UVLO 和恒流 LED 驱动。

图 2：BB22H52A 子模块的输入电压范围为 1.5 V 至 50 V，输出电压范围为 3.3 V 至 24 V，输出电流范围为 100 mA 至 1 A。（图片来源：Microchip Technology）

两个升压稳压器 BBS1 (MCP16251) 和 BBS3 (MCP16411) 专用于电池供电型设计中典型的低电压、低电流轨情况。两个基于 MCP1663 的升压稳压器 BBS4 和 BBS5 可由低压输入产生较高的 12 V 和 24 V 电压轨。该评估板还包括一个同步降压稳压器 BBS2 (MCP16311)、一个非同步降压稳压器 BBS7 (MCP16331) 和一个恒流 LED 驱动器 BBS6 (MCP1664)。

在该平台上，所有子模块都采用统一的评估基础设施。采用标准 2.54 mm 端子连接器，可连接所有输入、输出接口。默认情况下，每个子模块的 EN 引脚都通过一个电阻拉高，这样接入输入电压即可启动。全部 EN 引脚规范统一，仅需单点接线即可完成关断模式评估。测试点与可测节点，能够简化电压、电流及纹波的特性表征工作。

由于所有子模块具备高度一致性，设计人员可在模块间共用同一套参考标准，从而在针对不同拓扑结构时，能够运行完全一致的测试序列，进而精准判定性能差异源自稳压器和电感器件本身，而非电路板层面的不一致。要实现这些评估目标，既需要统一的平台架构，也需要一系列坚固耐用的元器件，其中电感尤其关键，必须与各类转换器拓扑的工作需求精准匹配。

用坚固耐用的元器件满足转换器拓扑结构的要求

在整个 BB22H52A 中，Würth Elektronik 的电感器、接线端子块、陶瓷电容器和厚膜电阻器构成了七个子模块。Würth WR-TBL 接线端子块符合上文讨论的通用 2.54 mm 输入/输出规范。Würth 多层片式陶瓷电容器 (MLCC) 采用 1 类和 2 类电介质 ，用于每个子模块的输入滤波、输出滤波和去耦。Würth WRIS-RSKS 厚膜电阻器的额定工作温度为 +155°C，可用作反馈分压电阻、电流监测采样和上拉基准电阻。该系列元器件为平台上各子模块稳定且统一的工作状态提供了牢固的基础，使得在评估过程中仅将稳压器与电感的性能差异作为唯一变量。

在这些无源器件中，电感器通常被认为是对应用最敏感的器件。电感器会直接影响效率、散热性能、EMI 信号和电路板占用面积。不同拓扑结构的电感器选择标准也各不相同，因此 Microchip 电路板利用三个 WE 电感器系列为设计人员提供了多种选择，即 WE-MAPI、WE-XHMI 和 WE-MXGI 系列。

在降压转换器中，由电感器设定输出电流纹波，同时与稳压器的斜率补偿和开关频率相互作用。在升压转换器中（图 3），电感器位于稳压器的开关节点，其平均电流随着输出与输入电压比的变化而变化，峰值电流会随纹波进一步上升。Microchip 的 MCP1663 设计指南建议，输出电压低于 15 V 时使用 4.7 µH 电感器，输出电压高于 15 V 时使用 10 µH 电感器。该选型规则与平台器件完全匹配：12 V 输出 BBS4 子模块搭载 Würth Elektronik 7443844020047 4.7 µH 电感器和 24 V 输出 BBS5 子模块搭载 744393305100 10 µH 电感器。

图 3：MCP1663 典型升压应用将电感器置于稳压器的开关节点，所选的电感值与目标输出电压相匹配。（图片来源：Microchip Technology）

在各种拓扑结构中，电感值是一个基本的权衡因素。电感值越高，纹波电流和磁芯损耗就越小，但物理尺寸和 DC 电阻 (DCR) 也越大。结构也很重要，对于电磁兼容性 (EMC) 至关重要的应用，建议使用磁屏蔽电感器，以防止与邻近的线路和元器件发生意外的耦合。BB22H52A 上的所有三个 Würth 电感器系列都采用磁屏蔽设计，且每个系列在尺寸、效率和 EMI 三大指标上采取了不同的权衡取舍方案。

BBS1、BBS2 和 BBS7 上的 WE-MAPI 电感器采用自屏蔽结构紧凑型磁合金磁芯。该系列器件通过了 AEC-Q200 认证，Würth 的比较报告显示，在 2 A 和 500 kHz 条件下，24 V 至 12 V 降压级的总功率损耗比其他部件低 17% - 28%。BBS1 上使用了额定温度为 -55°C 至 +150°C 的高温变体，可增大严苛环境设计的考核裕量。

BBS5 上的 WE-XHMI 电感器采用扁线线圈和复合磁芯，可降低 DCR 并增加饱和电流 (ISAT)。这些特性可直接支持 24 V 升压级所需的更高电感器电流和更小的热裕量。

BBS3、BBS4 和 BBS6 上的 WE-MXGI 电感器采用铁合金材料制成，针对 1 兆赫兹 (MHz) 以上的开关频率进行了优化，具有超低的 DCR 和交流损耗。这些特性使单个器件能够有效地用于升压 (BBS3, BBS4) 和 LED 驱动器 (BBS6) 拓扑结构。这些器件采用模压封装结构，实现了出色的件间一致性，可确保实验室测试结果在大规模生产阶段依然保持一致。

这三个电感器系列共同解决了使 DC/DC 稳压器评估复杂化的三个相互依存的难题：

• WE-MAPI 系列针对电路板空间有限的子模块，采用屏蔽结构，可减少不必要的辐射和耦合，从而改善 EMI 特性。
• WE-XHMI 系列可提供更高的输出电压和负载所需的电流和热裕量。
• WE-MXGI 系列具有高频损耗曲线和稳定性，可使一个电感器系列适配多种拓扑结构，并将实验室评估结果转化为批量生产。

与更广泛的 Würth 无源产品组合相结合，这三个电感器系列使 BB22H52A 在各种拓扑结构中都具有统一的评估性能。

如何用七个子模块说明关键设计的取舍

除了可以进行跨拓扑比较外，BB22H52A 的稳压器选型还突出了在每个拓扑类别中反复出现的特定设计权衡。通过在一块电路板上将同输出规格、同主控芯片的各版本模块并排布设，设计人员可直观分析：功能丰富度、输出配置以及电路拓扑选型，分别对稳压器特性的影响。

BBS1 和 BBS3 这两款低压升压子模块虽然都能将标称 1.5 V 输入电压调节至 3.3 V，但其功能集却大不相同。BBS1 子模块上的 MCP16251 依托完全负载断开功能，以及脉冲频率调制 (PFM) 模式下仅 4 μA 的静态电流，可有效延长电池使用寿命。而 BBS3 上的 MCP16411 则强调以类似的 5 µA 静态电流提供更丰富的监测和保护功能。

高压升压子模块 BBS4 和 BBS5 共用同一个 MCP1663 稳压器，但分别提供 12 V 和 24 V 输出。由此可清晰看出，输出配置如何限定单个稳压器提供的最大负载电流。MCP1663 是非同步器件，因此每个子模块都搭载一个外部肖特基二极管，与 BBS1 上的同步升压相比，体现了特定元器件数量的折衷。

这两个降压子模块通过了 AEC-Q100 认证，体现了同步与非同步之间的典型权衡。BBS2 上搭载的 MCP16311 是一款同步降压器件，输入电压高达 30 V，输出电流为 1 A，无需外部整流器即可实现高效率。BBS7 上搭载的 MCP16331 是一款非同步降压器件，可将输入范围扩展至 50 V，但需要外部肖特基二极管和较低的输出电流。

BBS6 采用了一种不同的方法，即由 MCP1664 LED 驱动器调节输出电流而不是电压，最多可串联驱动八个白光 LED。负载开路保护和 PWM 调光功能完善了 LED 的专用功能集。

加快评估和向定制化方案过渡

BB22H52A 子模块，如 BBS1（图 4）等均已完成组装和测试，设计人员只需将外部电源与输入端子连接，以及将负载与 V_OUT 和 GND 连接，即可开始评估。如前所述，只要接通输入电压，稳压器就会启动。接通电源后，从 V_OUT 端的电压表可确认是否提供稳压输出，即使输入电压和负载发生变化，稳压输出仍非常接近标称输出。

图 4：要评估 BB22H52A BBS1 子模块，设计人员只需连接实验室电源、电压表和负载。(图片来源：Microchip Technology）

除评估外，BB22H52A 还是构建定制化 DC/DC 转换器的参考设计。该评估板附带全套设计资料，包含七个子模块的完整原理图、四层印刷电路板布局与物料清单 (BOM)；该方案所采用的 Microchip 稳压器 IC、Würth 无源元器件均为市售型号，采购便捷。

结语

为新设计选择合适的 DC/DC 开关稳压器时，要求工程师在拓扑选型、电路板空间、转换效率、热性能与 EMI 扰特性之间进行权衡。BB22H52A BBS-SW 评估板通过模块化评估架构攻克了上述挑战，该架构基于 Würth Elektronik 强大的元器件产品组合构建，包含与每种拓扑特定需求相匹配的三大电感器系列，以及接线端子、陶瓷电容器和厚膜电阻器。