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【原创深度】微型模块重新定义DC/DC电源稳压器(一)

cathy 发布于:周三, 05/09/2018 - 16:16 ,关键词:

作者:Bill Schweber 贸泽电子

当今利用现有的组件、参考设计、工具和资源来设计一个基础且好用的DC/DC电源稳压器(或称为电源转换器)已经不是一件难事了,设计者需要将合适的控制IC、MOSFET晶体管、驱动电路以及一些无源器件组合起来,理论上整个设计就完成了,能够对输入DC直流电压进行转换和稳压同时输出DC直流电压(见图1)。

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“图1:原则上讲稳压器的功能非常的简单明了:采用稳定的DC输入电源,经过严格的调节后输出直流电压提供给系统使用”
图1:原则上讲稳压器的功能非常的简单明了:采用稳定的DC输入电源,经过严格的调节后输出直流电压提供给系统使用

然而这只是理论上的,我们还面临着严酷的现实,作一个“相对好的”设计已经不再够用了,虽然这样的设计能够满足一些基本的性能参数,比如输出精度、稳压效果等,但是要记住这些“基本的”参数只是现代稳压器必须具备的一小部分,此外对动态性能、各种负载的效率以及电磁干扰/射频干扰(EMI/RFI)等方面日益苛刻的要求也越来越严峻。

我们来讨论一下电源稳压器众多要求中一些关键点,首先就是在具体的输出电压要求下能够提供足够的电流,容差在1%到3%(典型范围),有些情况要求更严格。然后是动态性能需要对线路和负载的变化作出快速响应,但是要想波动或者不稳定性降低到最小,稳压器还必须具备针对各种故障的保护功能,比如过电流(包括负载短路)、过电压/欠电压以及过热等情况。

出于多种原因,效率和EMI/RFI标准通常是最难以满足的,首先这些要求都非常严格,此外这些标准因国家和地区存在差异,因此需要全面认真的来理解。为了使其更具挑战性,电源的效率必须满足激活、待机等其他操作模式下的要求,此外效率和EMI/RFI性能都必须由适当的实验室或者机构进行测试和认真,PCB布局和BOM清单一个小的变化都会影响效率和EMI/RFI的性能,因此需要全面的测试认证。

除了这些基本的性能要求外,稳压器还必须确保体积小、成本低、BOM器件简单、电源相关组件的生产组装过程中不存在特殊的步骤(尤其是手工操作),比如电容、电阻、MOSFET或IGBT和散热片等,这些需求之间会存在交集和冲突,因此有效的权衡分析和折中是必不可少的。

从功率等级开始

当然并不是所有电源稳压器设计都很艰巨,但是设计和动手制作的难度随着功率/电流的增加而不断增加,对于提供低于1A或2A电流的低功率电源设计相对简单,这样的设计可以利用市场上众多可用的低压降(“线性”)的稳压器(LDOs)或者开关稳压器,这些组件的性能也是适中的,大多数情况下都能够满足设计性能参数。

中等功率范围的设计所面临的挑战在不断增加,尤其电流范围在2A到10A之间,随着电流和元件变得越来越大,之前小型化设计的问题和缺陷就被逐步放大,厂家提供的参考设计经过测试和验证,一开始我们采用这些设计固然是方便的,但是并不保证适用所有的场景。

对于采用数十安培或者更高电流范围的应用,其电源稳压器的设计和制造困难会呈指数级增大,这些设计需要采用更大体积的元件、更多的功率耗散、更高的IR辐射,并且增加了EMI/RFI的潜在问题,简而言之,有太多的因素使稳压器设计实现变得困难,一些组件可能需要安装支架或者螺丝、更大的散热片,设计空气流通路径,在更高电流下进行性能测试很困难,因为主要是测试设计是否符合更严格的效率和EMI/RFI要求。

如果电源必须是电气隔离的(安全和性能方面往往要求这些),设计必须符合高压隔离标准以及各子部件之间的兼容要求。

因此中端高功率的稳压器设计人员们往往面临产品面市需要更长的时间,更昂贵的BOM以及高度的不确定性和风险,因为稳压器的性能在终端产品设计中显得越来越重要,尤其涉及到产品的接受度以及推广方面。事实上如果只提供一个“空白的”设计实现而没有一个好的参考设计作为出发点那么无疑会面临艰巨的挑战,即使有参考设计,随着电流(或功率)的增加会出现复杂的调试等问题。

当然对于MIY(自己设计)也有一些代替方案,比如购买完整的稳压器设计。传统上制造和购买的边界是根据2A和10A电流来划分的:低于2A可以自己设计制造,高于10A可以选择购买成熟的设计。这取决用于什么场景从而作出一定的妥协。在大多数情况下,购买选项通常要考虑到各种模块的体积和额定值等,而且一般都是(但不总是)封装在环氧树脂的黑盒中,这些模块会提供基本的功能和必需的性能,但是一般体积相对较大、比较重、不灵活,而且仅有少数模块可供选择。

新的购买选择提供了新的视角

除了“自己制造”和“购买方案”两种方法之外,还有一种替代方案可以解决大部分中端系统和它们所面临的日益严格的效率问题、EMI/RFI以及市场压力等:替代方案就是采用凌力尔特公司(LTC)推出的μModule®系列高性能调节器,目前凌力尔特公司(LTC)隶属于ADI公司。如图2所示,这些嵌入式器件结合了先进的设计、组件和封装从而克服模块化的问题以及一些限制,对于需要“自己制作”的设计场景有了更多的选择,但是只对于那些低于2A的低电流应用才有实际意义。

“图2:μModule
图2:μModule DC/DC调节器取代了复杂的PC板卡,不需要再使用有源和无源的分立式元件,最终是一个简单微型的嵌入式器件(来源:凌力尔特)

目前μModule 模块由超过100多个不同的单元组成,共分为15个系列,满足各种应用场景的性能需求,此外它有超过30种微型封装,器件面积从6.25 × 6.25mm到16 × 11.9mm,高度从1.82mm到5.02mm,每个μModule都是一个全面集成的DC/DC电源解决方案,作为完整的系统级封装它具有:电感、MOSFET、DC/DC稳压器IC和其他支持的组件(见图3),其输出的电流范围从2A到20A,电压范围从1.8VDC到58VDC。

“图3:每个μModule单元都包括必要的电感、MOSFET、稳压器IC以及所有支持的组件,它是一个高度集成的封装单元(来源:凌力尔特)”
图3:每个μModule单元都包括必要的电感、MOSFET、稳压器IC以及所有支持的组件,它是一个高度集成的封装单元(来源:凌力尔特)

然而μModule单元不仅仅是简单基本的DC-in/DC-out稳压器,目前提供的版本还包括以下功能特性:

• 输入与输出之间的电隔离,对于应用的安全性和性能是必需的。
• 超低的噪声,可满足某些应用严格的EN55022 Class B等级要求
• 无缝降压-升压转换,这在电源电压标称输出值(完全充电)到低于该值(放电)的范围内时是非常重要的。
• 单个μModule支持多路输出(2/3/4或5路),允许输出电流共享,在开关操作以及输出次序上电过程中保证电流负载
• 数字输入/输出(I/O)接口,通过串口总线可以对这些稳压器进行“读取”状态和“写入”设置操作,这些情况下可以进行密切的检测和控制
• 远程感应可以抵消在较高电流的情况下稳压器输出和负载之间IR下降的影响
• 多个μModule稳压器之间支持电流共享(或并联),提供高功率同时向负载均匀分配电流
• 极性反转,在给定输出电压是正的情况下,稳压器输出必须为负极
• 可调谐补偿,根据负载特性以及输出电容类型、数量来调整补偿来实现精确的输出和瞬态响应,从而实现稳压器的环路改变响应
• 超薄封装,因此稳压器器件才可以紧密的安装在电路板底部,或者嵌入在FPGA(可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)之间,此外还可以放在散热器/冷却板的顶部。

精彩内容未完待续......

原文链接:https://www.mouser.com/applications/micromodules-redefine-dc-dc-power-re...

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