发布日期：2022-04-17 点击率：34
从物联网 (IoT)、临床医疗设备和可穿戴设备，到智能建筑、智能传感器和数不胜数的消费类产品，电子器件无处不在，随处可见。无论其主要电源是线路供电 AC-DC 转换器还是电池，所面临的挑战都是为这些器件提供一个或多个适当调节、性能良好的低压直流电源轨。这些器件中的降压 DC-DC 子系统除了提供精密调节这一主要功能（通常在宽输入电压范围内工作）外，还必须要外形小巧、高效、电气噪声小，并满足严格的法规要求。
设计人员有两种明确的选择来提供这种直流电源：他们可以设计和构建（“自制”）自己的 DC-DC 子系统，也可以选择外购完整且随时可用的现成模块。“自制”在定制化方面有其优势，但可能会增加成本和造成延迟，因为电源设计的成功综合了技术、工艺、艺术和一些运气等因素。直到最近，选择“自制还是外购”确定边界是：对于大功率范围 (>100 W) 和中功率范围（>~10 W 至 <~ 100 W）的电源，外购具有技术和成本优势；而对于小功率范围 (<~10 W) 的电源，则往往采用“自制”。设计人员可以使用低压差稳压器 (LDO) 或开关稳压器 IC，再加上一些外部无源器件来自制降压装置。
但是现在，由于对上市时间的要求越来越严格，加上元器件创新渐渐走向微型完整模块方向，即使对于较低的功率水平，外购也是更具吸引力和明智的选择。
本文将以来自 Maxim Integrated 的 Himalaya uSLIC 降压 DC-DC 电源模块系列为例，介绍与较小 DC-DC 功率输送有关的关键参数、性能要求和解决方案。
与其他电源一样，小功率降压 DC-DC 稳压器的特征首先在于几个基本参数：输入电压范围、输出电压设置（固定或可调）和最大输出电流。这些是起始参数。另外，还有其他与质量有关的因素，包括不同负载下的调节和稳定性、纹波电流及瞬态性能。此外，还有欠压锁定 (UVLO)、短路和热保护、过压保护 (OVP) 和过流保护 (OCP) 等有价值的特性。
重要参数列表中还包括运行效率。在某些情况下，需要高能效来满足“绿色”法规要求，尽管这些法规对小功率电源的要求不如对中、大功率电源那么严格。更高的能效还有助于延长电池供电型应用的运行时间，并且在标称负载和低负载条件下，以及静态模式下都很重要。即使是以交流线路作为主电源，运行时间不由能效决定，最大限度地降低能耗和热负载仍然至关重要。
电磁干扰 (EMI) 方面的考虑也是一个受法规驱动的因素，分为两个方面：
首先，DC-DC 稳压器不得易受“输入”EMI 和噪声的影响，因为这将影响其性能及其供电对象。
它们不得是辐射和传导 EMI 的来源，允许的 EMI 限值取决于最终应用（如消费类、汽车、工业和医疗应用）、功率范围和频率。
要使产品通过认证以满足各种 EMI 要求是一个复杂且耗时的过程，需要兼具设计和测试方面的专业知识。
在讨论电源稳压器的功能要求时，还不能忽略另外两个因素：尺寸和成本。一般来说，尺寸越小越好，而且这常常是必需的，但对于外形尺寸较大的产品来说，这可能不是最优先考虑的问题。当然，低成本总是受欢迎的优势，尽管其相对重要性由应用要求决定。
在自制与外购决策之间显然需要权衡取舍，包括考虑潜在因素的相对权重。例如，解决方案尺寸更小有多少价值？提高一个方面的性能需要付出多少成本？例如，2 MHz 开关稳压器的尺寸比基本规格相当的 1 MHz 开关稳压器小，但由于在较高频率下工作损耗增加，其能效可能会降低。
鉴于市面上有许多明显易用的高性能 DC-DC 稳压器 IC 可用于较低的功率水平，似乎“自制”是一个明智的决定。然而，现实情况却越来越非如此。这是由多种因素累积而成的，这些因素包括对电路性能的诸多要求和“自制”的相关风险，例如投产、寻找相关无源器件的挑战，以及严格的测试/认证要求。
开关稳压器需要一个小型电感器来存储能量，而该电感器无法片上制造。从原理上讲，电感器是一个几乎微不足道的元器件，其初始模型特征仅为电感和直流电阻。理论上，当设计人员掌握了这两个因素的值后，就可以进行 DC-DC 稳压器的建模和设计。
但实际上，事情并不那么简单，即使是在简化的“改进型”电感器模型中，包含的自电容也是频率的函数（图 1）。
图 1：即使是简单电感器的等效电路也有一定的复杂性，其模型随会电感器工作频率的变化而变化。（图片来源：Springer Nature Switzerland AG）
单一“正确”模型并不存在，更为详细的高级模型还包括难以评估的寄生元件（图 2）。
图 2：随着电感器使用频率的升高，等效电路会产生更多细微差别，其中一些取决于电感器位置、邻近元件和印刷电路板。（图片来源：Sonnet Software, Inc.）
电感器的物理尺寸和位置使得该模型复杂化；甚至其位置或方向的细微变化也会改变模型的精度，并影响性能、EMI 和能效。随着开关频率扩展到兆赫范围，模型更要控制这些额外因素。
此外，有经验的工程师大多都碰到过这种问题：有时采购部门或生产工厂会用类似的元件来代替工程师在物料清单 (BOM) 上列出的特定供应商和型号。这种“无伤大雅”的替换似乎没什么问题，因为这些不同器件的主要规格完全相同。然而，更细微的元件次要规格可能会存在差异，以致 DC-DC 稳压器的性能与构建、测试和认证的性能有所不同，无法按通过测试和发布的方式工作。
由于这些和其他原因，使用众多可用稳压器 IC 之一和几个无源器件的自行“制造”方式，在性能、合规性和上市时间方面的风险越来越大。这样一来，使用可行替代方案的“外购”看起来更具吸引力。
过去几年来，小功率范围的外购格局发生了巨大变化。现在，Maxim Integrated 的 Himalaya uSLIC 降压 DC-DC 电源模块系列器件为设计人员提供了诸多选择。这些模块没有性能和尺寸上的权衡或妥协，也没有“自制”的风险。
Himalaya uSLIC 系列包括两款固定输出器件 MAXM17630（3.3 V 输出）和 MAXM17631（5 V 输出），以及由电阻设置的可调节 MAXM17632（0.9 V 至 12 V 输出）——均具有 1 A 的电流能力。这些同步降压 DC-DC 模块均包括集成控制器、MOSFET、补偿元件和电感器。内置整个输出电压范围补偿电路消除了对外部补偿元件的需求，由于外部补偿元件必须与稳压器的工作模式相匹配，因此往往难以选择。
这些模块具有 4.5 V 至 36 V 的宽输入范围；其他 uSLIC 模块的输入电压可高达 60 V，这对于工业设计非常有用。该模块系列的反馈电压调节精度为 ±1.2%。这些模块包含过热保护功能，额定环境工作温度为 -40℃ 至 +125℃。
另外，这些模块只需要几个非关键外部电阻器和低成本的陶瓷电容器就可以工作并建立工作特性（图 3）。
图 3：MAXM17631 属于易于配置和使用的 Maxim Himalaya uSLIC 系列 DC-DC 降压电源模块的一员；注意，没有可见的电感器。(图片源：Maxim Integrated)
这些模块是“纯硬件”，不需要考虑软件启动或设置端口。虽然它们不是 IC，但看起来确实很像。内部电感器封装在 16 引脚微型超薄封装中，尺寸仅为 3 mm × 3 mm × 1.75 mm，底部集成导热垫（图 4）。
图 4：Maxim 的 Himalaya uSLIC 系列器件具有 16 个引脚，尺寸仅为 3 mm × 3 mm × 1.75 mm；这些封装底部还有导热垫，以简化散热。(图片源：Maxim Integrated)
尽管尺寸小巧，但 Himalaya uSLIC 模块性能高、易于使用且配置灵活。它们支持 400 kHz 至 2.2 MHz 的可调工作频率，并提供外部时钟同步选项。此外，无需担心电源模块会成为无法满足严格 EMI 要求的原因，因为这些器件符合 CISPR 22 (EN 55022) B 类传导和放射辐射要求（图 5 和图 6）。
图 5：Maxim 的 Himalaya uSLIC 系列器件可轻松满足 CISPR 22 (EN 55022) B 类传导辐射的限值。(图片源：Maxim Integrated)
图 6：Maxim 的 Himalaya uSLIC 系列器件也低于 CISPR 22 (EN 55022) B 类放射辐射的限值。(图片源：Maxim Integrated)
此外，这些模块还符合 JESD22-B103、B104 和 B111 抗跌落、冲击和振动标准；在“自制”设计中，满足这些标准是符合电气性能要求之外的额外负担。
低压差稳压器 (LDO) 每年在不计其数的应用中得到广泛使用，满足了许多应用的需求。这些器件易于应用，并且几乎没有输出噪声。然而，随着输出电流的增大，以及电源轨与其输出之间电压差的增大，它们的能效会降低。在许多小功率应用中，这些器件似乎是相当有吸引力的解决方案，可以提供稳压输出，尽管能效方面稍有欠缺。
但是，事实往往并非如此。以空间受限的光学接近传感器为例，该传感器需要由标称 24 V 的直流电源（即 19.2 V DC 至 30 V DC）以 80 mA 电流提供 5 V 的电压（图 7）。
图 7：在这个紧凑的光学接近传感器设计示例中，微型 uSLIC 模块可用于以 80 mA 电流有效提供 5 V 电压。(图片源：Maxim Integrated)
标准 LDO 与 MAXM17532 uSLIC 电源模块（0.9 至 5.5 V 输出，100 mA 器件）的对比分析汇总显示出巨大的差异（表 1）。
| 器件能效输入功率功率耗散MAXM1753283%482 mW82 mWLDO21%1920 mW1520 mWMAXM17532/LDO 比值395%25%1/19 |
表 1：与 LDO 相比，使用 uSLIC 大大节省了电能，整体耗散功率的差异也是如此，约为使用 LDO 解决方案时的 5%。（图片来源：Maxim Integrated）
uSLIC 电源解决方案的能效是 LDO 的四倍，标称 24 V 输入时的耗散功率只有 LDO 解决方案的 1/19（约为 5%）；当直流输入为 30 V 时，此差异更大（此分析的详细信息及其他示例见参考文献 1）。
尽管 uSLIC 器件是采用峰值电流模式控制架构的“密封”模块，但用户仍有机会在三种工作模式中任选其一。这样就可以选择与应用优先级和权衡因素最匹配的性能属性，不必在订购零件时进行选择，而是由设计人员根据需要通过封装引脚的适当连接来实现。因此，同一器件可以通过不同模式用于多个产品，甚至可以在同一产品中使用多个模式，从而简化了 BOM，并允许在设计后期进行更改。
这三种模式分别是：
• 脉冲宽度调制 (PWM) 模式：内部电感器电流允许为负。这种工作模式在频率敏感型应用中很有用，在所有负载下均可提供固定开关频率操作。但是，与其他两种模式相比，它在轻负载条件下能效较低。
• 脉冲频率调制 (PFM) 模式：此模式禁用了电感器的负输出电流，由于电源提供的静态电流较小，因此在轻负载条件下能效更高。缺点是与其他工作模式相比，输出电压纹波较大，并且在轻负载条件下开关频率不恒定。
• 断续导电模式 (DCM)：此模式可在轻负载条件下禁用电感器的负电流，因而亦可实现高能效，并且相比 PFM 模式，可在更小的负载条件下实现恒频工作。DCM 模式的能效介于 PWM 和 PFM 模式之间，输出电压纹波与 PWM 模式相当，相比 PFM 模式则较小。
对于这些 uSLIC 模块，用户还可以通过使用可选外部电容器来设置启动时间等因素。该特性在电源定序和上升斜率至关重要的多轨设计中非常有用。
选择“自制”方案的工程师所面临的众多任务之一是在各种静态和动态操作条件下，使用许多不同的参数正确评估其最终产品。这是一项费时费力的工作，同时很有可能会出现意外错误。在众多的要求中，有一条是必须仔细且有效地控制负载。
相比之下，设计团队在使用 Maxim 的 Himalaya uSLIC 模块时可以跳过这一步。由于这些器件是完整的模块，因此从输入引脚到输出电源轨，规格书中都有完整的特征描述。除了电气特征表外，还有一百多个确定性能的图表，涵盖了能效与负载电流的关系、输出电压与负载电流的关系、输出电压纹波、负载瞬态响应、启动和关闭性能，以及波特图等因素，所有这些都涵盖了广泛的工作条件，其中包括始终重要的温度。此外，还提供了功能强大的设计和仿真工具，以便将模块的性能表现集成到更大的系统级仿真中。
虽然 Maxim 的 uSLIC 模块易于应用并提供全特征化性能以及仿真模型，但设计人员可能仍然需要对其功能有一些“上手”感，并培养对这些微型器件的舒适感。由于 uSLIC 非常小，Maxim 提供了 MAXM17630EVKIT# 评估板，用于加速评估（图 8）。该评估板包含三个相邻的独立部分，分别用于 MAXM17630、MAXM17631 和 MAXM17632 模块。
图 8：通过三个相邻且独立的部分，Maxim 的 MAXM17630EVKIT# 评估板直接支持 MAXM17630、MAXM17631 和 MAXM17632 三个模块的配置和评估。(图片源：Maxim Integrated)
该评估板允许用户在任何一种基本工作模式（PWM、PFM 和 DCM）下练习和评估 uSLIC 操作、在需要时与外部时钟同步、启用和禁用模块，以及更改 UVLO 设置。在初始设置中，评估板将 MAXM17630 模块 (3.3 V @ 1 A) 配置为在 4.5 V 至 36 V 输入范围内以 900 kHz 的开关频率工作；MAXM17631 模块 (5 V @ 1 A) 配置为在 7 V 至 36 V 输入范围内以 1.250 MHz 的开关频率工作；MAXM17632 可调模块 (13 V @ 1 A) 配置为在 20 V 至 36 V 输入范围内以 2.150 MHz 的开关频率工作。
规格书中详细介绍了评估板的原理图，以及顶层和底层电路板布局及阻焊层。使用该评估板只需单个 0 至 36 V 的 1 A 直流电源、数字万用表，以及在 3.3 V、5 V 和 12 V 下灌入最大 1 A 电流的负载电阻器。该套件的印刷电路板布局还采用了特殊设计，以限制电源转换器开关节点的放射辐射，从而使放射辐射低于 CISPR22 B 类限值。
此外，制造商还发现使用评估板时，评估配置与最终的设计配置并不相同。因此，它提供了可选的电解电容器，用于抑制热插拔期间可能出现或由长输入电缆（通常在评估设置中使用，但在实际应用中不会使用）引起的输入电压尖峰和振荡。这些电缆布设在输入电源和套件电路之间，因此可能会因电缆电感引起输入电压振荡。该电解电容器的等效串联电阻 (ESR) 有助于抑制可能引起的振荡。
Maxim 的 Himalaya uSLIC 模块明确证明：即使在相对较低的 DC-DC 降压转换器功率水平下，“自制与外购”的天平现在也强烈倾向于外购。这些模块尺寸小巧、具有全特征化性能、符合 EMI 和能效法规要求，并且简化了最终产品 BOM，因此成为合理的选择。
“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”
应用说明 6417，“ments/app-notes/6/6417.html" target="_blank">Assembly Guidelines for uSLIC Packages”
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