理想的DC-DC降壓電源模塊：這才是它該有的樣子！

在當(dāng)今電子系統(tǒng)中，電源管理器件承擔(dān)著重要的作用，大多數(shù)情況下，它們的工作就是將來自電源的電能——無論是交流還是直流——通過一系列的轉(zhuǎn)換，調(diào)節(jié)為各種性能良好的低壓直流電源軌，供系統(tǒng)中的每一個(gè)用電負(fù)載使用。在這個(gè)過程中，少不了DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器的身影，它們輸入電壓范圍較寬、效率高、封裝小巧，有利于滿足嚴(yán)格能效法規(guī)的要求，往往“把守”著向最終低壓直流電源軌轉(zhuǎn)換的最后一環(huán)。

DC-DC降壓模塊的優(yōu)勢

一般來講，實(shí)現(xiàn)DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器的功能有兩種選擇：一種是自己設(shè)計(jì)，另一種是直接購買現(xiàn)成的DC-DC降壓模塊。前者顯然在定制化方面更具優(yōu)勢，但對電源工程師的“功力”也有更高的要求，他們必須要能夠綜合考慮的綜合特性、PCB設(shè)計(jì)、工藝要求、EMI等諸多方面的因素，有時(shí)候還需要一些“運(yùn)氣”的成分，因此稍有不慎就可能會(huì)影響設(shè)計(jì)工期或者增加額外的成本。

而如果選擇后者，即外購DC-DC降壓模塊，雖然顯得沒有前者那么“靈活”，但是由于DC-DC降壓模塊的制造商已經(jīng)將這個(gè)電源系統(tǒng)所需的元器件盡可能地“塞進(jìn)”一個(gè)單一的封裝內(nèi)，因此外圍的電路大為簡化，開發(fā)者無需為電源設(shè)計(jì)大費(fèi)周章或承擔(dān)不可知的風(fēng)險(xiǎn)；與此同時(shí)，集成度的增加也會(huì)令整體BOM物料管理得以簡化。

從性能上來看，DC-DC降壓模塊的制造商利用其專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，還可以在電源轉(zhuǎn)換效率、尺寸、功率密度等方面進(jìn)行優(yōu)化，為用戶提供更大的價(jià)值。而且有些制造商還能夠提供經(jīng)過內(nèi)部測試認(rèn)證的產(chǎn)品，以便客戶最終能夠快速順利地通過EMC等認(rèn)證。

曾有分析認(rèn)為，對于大功率范圍（大于100W）和中功率范圍（10W至100W）的電源系統(tǒng)，直接使用DC-DC降壓模塊更具有技術(shù)和成本優(yōu)勢，而對于小于10W的小功率應(yīng)用，自己設(shè)計(jì)更劃算。不過，隨著DC-DC降壓模塊技術(shù)的日趨成熟，這樣的分界線似乎已經(jīng)變得模糊了，DC-DC電源模塊的應(yīng)用越來越普遍。

選型中不容忽視的關(guān)鍵點(diǎn)

既然DC-DC降壓模塊的應(yīng)用場景越來越廣泛，那么如何選型就成了一個(gè)關(guān)鍵。

打開一個(gè)DC-DC降壓模塊的Datasheet，你會(huì)看到一系列描述其性能的參數(shù)，如輸入電壓、輸出電壓、效率、額定電流、紋波電壓、轉(zhuǎn)換率、瞬態(tài)響應(yīng)、封裝尺寸等等。一般來講，根據(jù)設(shè)計(jì)的要求列出電源的規(guī)格，然后按圖索驥對照參數(shù)，就能鎖定自己的目標(biāo)。

不過實(shí)際的選型工作并沒有那么簡單，有些在參數(shù)之外的關(guān)鍵因素，往往會(huì)成為選型天平上最重的那個(gè)砝碼。

效率

數(shù)據(jù)表上通常會(huì)給出一個(gè)令人贊嘆的效率數(shù)值，但這并不是故事的全部。這是因?yàn)镈C-DC降壓模塊的效率表現(xiàn)在整個(gè)功率范圍內(nèi)并不一致，接近滿載時(shí)效率最高，而在輕負(fù)載時(shí)則會(huì)顯著降低。因此電源模塊針對輕負(fù)載條件下效率的提升是否具有特殊的訣竅，以及在靜態(tài)模式下是否具有較低的靜態(tài)電流，都應(yīng)該被納入到選型考量的范圍中。此外，像軟啟動(dòng)這種能夠顯著降低開關(guān)損耗，提升效率的功能，也會(huì)為DC-DC降壓模塊在選型評估中贏得加分。

外形

隨著電子產(chǎn)品日趨小型化，外形更緊湊的DC-DC降壓模塊顯然會(huì)更受歡迎。提升集成度，是控制電源模塊外形尺寸普遍采用的方法。很多同步降壓DC-DC 模塊中會(huì)集成控制器、MOSFET、補(bǔ)償元件，甚至包括電感器，因此只需少量的非關(guān)鍵的外部電容器和電阻器，即可完成應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)，令占板面積大大減少。

保護(hù)

在基本的電源管理功能之外，保護(hù)功能也是不少DC-DC降壓模塊為用戶提供的附加值。欠壓鎖定（UVLO）、短路和熱保護(hù)、過壓保護(hù)（OVP）和過流保護(hù)（OCP）等保護(hù)功能的集成，一方面能夠確保系統(tǒng)安全可靠地工作，另一方面也節(jié)省了片外保護(hù)元器件，可謂是一舉多得。

EMC

由于DC-DC轉(zhuǎn)換器開關(guān)電源的工作模式，會(huì)將噪聲直接引入負(fù)載，并產(chǎn)生射頻噪聲，可能對周邊電路的穩(wěn)定性和精度造成影響，因此必須對其電磁兼容性（EMC）特性進(jìn)行考察，看產(chǎn)品針對EMI抑制是否有相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以便產(chǎn)品能夠快速通過相關(guān)的EMC認(rèn)證。

可配置

根據(jù)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要，對DC-DC模塊的輸出電壓進(jìn)行重新編程設(shè)定，這種可配置特性無疑會(huì)為開發(fā)工作帶來極大的靈活性，可以用一顆器件去滿足不同設(shè)計(jì)規(guī)格的要求，一方面能夠在不增加成本的基礎(chǔ)上有效降低物料替換帶來的風(fēng)險(xiǎn)，另一方面也能夠減少工程師在電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的工作負(fù)荷。因此，目前市面上可配置、可編程的DC-DC模塊也越來越多。

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)格明確了DC/-DC電源系統(tǒng)的主要參數(shù)，同時(shí)仔細(xì)考量上面這幾個(gè)關(guān)鍵要素，判斷一款DC-DC降壓模塊的“成色”，找到理想的產(chǎn)品和方案就不難了。

理想的DC-DC降壓模塊

Microchip公司的系列DC-DC降壓模塊產(chǎn)品，就是順應(yīng)技術(shù)的發(fā)展趨勢，按照上面的這些“理想”電源模塊的標(biāo)準(zhǔn)而打造的。下面這兩顆料就非常有代表性。

MIC33153是一款高效的同步降壓穩(wěn)壓器，其輸入電壓范圍為2.7V至5.5V，輸出電壓范圍為0.62V至3.6V，有固定和可調(diào)兩種類型，輸出電流1.2A；在PWM連續(xù)工作模式下，提供高達(dá)4MHz的恒定開關(guān)頻率。

圖1：MIC33153同步降壓穩(wěn)壓器系統(tǒng)框圖

（圖源：Microchip Technology Inc.）

“高效率”是MIC33153的一個(gè)重要標(biāo)簽，其峰值效率高達(dá)93%。值得關(guān)注的是，由于采用了獨(dú)特的HyperLight Load??模式，其在輕載模式下的效率表現(xiàn)也不俗，1mA時(shí)高達(dá)85%。此外，其靜態(tài)電流僅為22μA，且支持可編程軟啟動(dòng)，可以說是將能想到的提升效率的舉措都用足了。

MIC33153將完整的DC-DC降壓轉(zhuǎn)化功能集成在一個(gè)14針3.0mm x 3.5mm的QFN封裝內(nèi)，包括電感以及一系列電路保護(hù)功能。模塊的外部只需兩個(gè)很“小”的輸出電容（2.2μF），就能保證在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)輸出紋波電壓都非常低，并具有超快的瞬態(tài)響應(yīng)。

高集成度、小型化、頻率高、瞬態(tài)響應(yīng)快、輸出紋波低，全負(fù)載范圍高效率……集諸多優(yōu)點(diǎn)于一身，這使得MIC33153非常適合在便攜應(yīng)用中為處理器等關(guān)鍵器件提供高品質(zhì)的電壓軌。

圖2：MIC33153典型應(yīng)用電路

（圖源：Microchip Technology Inc.）

上述這些特性優(yōu)勢，在Microchip其他的DC-DC降壓電源模塊身上也有所體現(xiàn)。

比如MIC33M350和MIC33M356電源模塊，它們是采用恒定導(dǎo)通時(shí)間（COT）控制架構(gòu)的高效（高達(dá)95%）、低壓輸入、3A連續(xù)電流同步降壓電源模塊。它們同樣具有HyperLight Load??模式，可在輕負(fù)載時(shí)提供非常高的效率，同時(shí)具有超快的瞬態(tài)響應(yīng)。

圖3：MIC33M350和MIC33M356電源模塊

（圖源：Microchip Technology Inc.）

這兩款電源模塊還具有鎖存熱關(guān)斷保護(hù)、鎖存限流保護(hù)等保護(hù)特性；在EMI方面滿足CISPR32 Class B輻射EMI標(biāo)準(zhǔn)（MIC33M350還符合CISPR25 Class 5輻射EMI標(biāo)準(zhǔn)），“綜合素質(zhì)”都很強(qiáng)。

特別值得一提的是，這兩款電源模塊還提供了靈活的可配置性。MIC33M350的輸出電壓由兩個(gè)VSEL（電壓選擇）引腳設(shè)置，可支持最多9個(gè)不同電壓值（0.6V、0.8V、0.9V、1.0V、1.2V、1.5V、1.8V、2.5V或3.3V）。這種方法無需外部反饋電阻分壓器，輸出電壓設(shè)置精度更高。

圖4：MIC33M350系統(tǒng)框圖

（圖源：Microchip Technology Inc.）

MIC33M356的輸出電壓配置是通過I2C接口進(jìn)行編程的，針對不同的產(chǎn)品型號(hào)，支持的電壓范圍分別為0.6V至1.28V（分辨率5mV）或者0.6V至3.84V（分辨率10mV和20mV）。MIC33M356提供0.9V和1.0V兩種不同的默認(rèn)電壓選項(xiàng)，使應(yīng)用能夠以安全電壓電平啟動(dòng)，然后在I2C控制下遷移到高性能模式。

圖5：MIC33M356系統(tǒng)框圖

（圖源：Microchip Technology Inc.）

同時(shí)，MIC33M350引腳分配與基于I2C的MIC33M356可編程穩(wěn)壓器是兼容的，可根據(jù)應(yīng)用的需要進(jìn)行替換。這也是一個(gè)很贊的設(shè)計(jì)。

上述這些特性，加上2.4V至5.5V輸入電壓范圍、低關(guān)斷電流和低靜態(tài)電流、高效散熱的24引腳QFN封裝等特性，使得MIC33M350和MIC33M356非常適合用于單節(jié)鋰離子電池供電應(yīng)用。

圖6：MIC33M356典型應(yīng)用電路

（圖源：Microchip Technology Inc.）

本文小結(jié)

DC-DC降壓電源模塊作為一種常見的電源管理器件，應(yīng)用日趨廣泛。不過，想要為應(yīng)用選擇到一顆“理想”的DC-DC降壓電源模塊，除了基本的性能參數(shù)，還要對這些參數(shù)之外的一些關(guān)鍵特性進(jìn)行深入的考量，這樣才能知其然并知其所以然，找到一顆“綜合素質(zhì)”優(yōu)秀的產(chǎn)品。

本文介紹的幾款來自Microchip的DC-DC降壓電源模塊，就是很好的范例，對于外形緊湊、要求高轉(zhuǎn)換效率的便攜應(yīng)用，提供了一個(gè)性能出色、應(yīng)用簡便的解決方案。