電源模塊與分立式穩(wěn)壓器的優(yōu)缺點比較
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什么是模塊化穩(wěn)壓器？
下面的示意圖給出了一個簡單的非隔離式直流/直流開關(guān)穩(wěn)壓器的基本構(gòu)建模塊。脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制、電流開關(guān)以及儲存能量的電感和電容都是必需配置。右側(cè)的模塊化穩(wěn)壓器將電流開關(guān)連同電感都進行了集成，但在分立式設(shè)計中它們則是獨立的實體。由于儲能電容中的能量值往往遠遠超過1μF，所以較少集成在單獨的器件中。
如何在分立式穩(wěn)壓器和電源模塊間做出選擇？
一般情況下，主要是從購置成本、設(shè)計工作量和性能等三方面進行權(quán)衡。
購置成本是材料清單費用、設(shè)計師的勞務(wù)費、測試和潛在重新設(shè)計所需的勞務(wù)費、制造/裝配費，以及因電源設(shè)計不當而造成的質(zhì)量問題所產(chǎn)生的潛在費用的總和。
顯而易見，使用完全集成的電源模塊供電所需的設(shè)計工作量比使用分立式電源要少，但是在可用的分立式穩(wěn)壓器設(shè)計中，可以有部分電路的集成。例如，有些穩(wěn)壓器內(nèi)置了場效應(yīng)晶體管（FET）開關(guān)，因此無需選擇FET或考慮柵極驅(qū)動因素。控制器集成電路選擇的靈活性最大，但是這需要有更高級別的設(shè)計能力。假如設(shè)計者已經(jīng)決定要使用非模塊化的解決方案，那么他們還需要深入研究如何理想地將分立器件嵌入到設(shè)計中。幸運的是，有一些強大的設(shè)計工具，例如美國國家半導(dǎo)體的 Webench可以協(xié)助電源設(shè)計新手進行分立式電源設(shè)計。
集成模塊確實需要相應(yīng)的設(shè)計工作量，設(shè)計者至少要評估所要設(shè)計的電源規(guī)格，其中包括評估輸入/輸出電壓、電流、允許的溫升、噪聲、安全性和輻射情況以及其他可能要注意的細節(jié)。即使是最簡單的模塊化設(shè)計方案也須進行精密的規(guī)劃。
電路的性能由多方面的因素和實際應(yīng)用決定，對于射頻電路的供電系統(tǒng)來說，輸出端的噪聲可能是最需考慮的因素；但對于助聽器來說，溫升和電路的尺寸則可能是它的決定性標準。
設(shè)計示例
不可能只通過測量分析所有電壓和電流值來判斷兩種方法的優(yōu)劣，下面則通過一組共同的參數(shù)來分別展示模塊化設(shè)計與分立式控制器集成電路設(shè)計的利弊，兩種方法的設(shè)計規(guī)格應(yīng)是相同的：
• Vin = 24V。
• Vout = 3.3V。
• 輸出電流 = 3.0A（最大值）。
• 環(huán)境溫度將設(shè)為55℃。
為了確定這兩種方法哪種更為簡便，我們使用美國國家半導(dǎo)體的Webench設(shè)計工具，以LM3152 3.3V控制器和LMZ14203電源模塊為基礎(chǔ)進行電路設(shè)計。Webench提供了大量便捷的設(shè)計工具，這些工具過于豐富，以至于對其的介紹會大大超出本文的討論范圍，因此，我們討論的重點將集中于原理圖、材料清單的成本計算、印刷電路板元件的焊墊面積、輸出噪聲分析、效率與熱仿真等幾個方面。
原理圖與材料清單
圖 1示意了使用LM31523.3V控制器的分立式設(shè)計。使用Webench完成這個設(shè)計，大概需要30分鐘。設(shè)計中改進了少量部件以節(jié)約成本，并進行了一些設(shè)計仿真用于驗證功能的正常運行。假如沒有計算機輔助設(shè)計（CAD）程序的協(xié)助，該設(shè)計可能要花幾個小時甚至一天的時間才能完成電路計算和器件搜索的工作。
圖1 直流/直流降壓穩(wěn)壓器的集成水平
圖2 使用LM3152-3.3控制器的分立式設(shè)計
圖3 使用LMZ14203集成電源模塊的模塊化設(shè)計
圖4 器件焊墊面積對比表格
通過對比兩種設(shè)計的材料清單（BOM）成本，可以發(fā)現(xiàn)分立式設(shè)計具有一定的優(yōu)勢。
值得注意的是，電源模塊的標價是以500件為單位，而控制器的標價則以1000件為單位。表格中所顯示的所有費用均基于Webench，是已經(jīng)公示的目錄價格，器件通常以1000件為單位或者以卷帶形式供貨。
簡單的PCB布局
下面的圖5顯示的是目前設(shè)計示例的評估板。開關(guān)穩(wěn)壓器的布局藝術(shù)在于縮減大電流、高頻率節(jié)點的長度和面積，同時妥善地處理返回電流路徑。任何PCB CAD操作員都可以組裝“工作中”的供電電源。為了確保供電電源的強健性，并盡可能降低工作期間發(fā)出的噪聲，需要對電路操作有一定程度的了解并仔細規(guī)劃。顯而易見，模塊化設(shè)計更不容易出現(xiàn)布局錯誤。
圖5 模塊化解決方案和分立式解決方案相應(yīng)的評估板(比例相同)
有些模塊化設(shè)計在PCB布局上還有個優(yōu)勢：能夠在裸片下對頂層銅薄層進行不間斷布線。為了盡可能保持結(jié)溫，必須確保裸片與頂層銅薄層之間實現(xiàn)最佳熱傳導(dǎo)性能。對于美國國家半導(dǎo)體LMZ系列的電源模塊而言，其大規(guī)模裸露焊盤上的地電位與其他信號引腳在空間上是分離的。圖5中的評估板顯示可以輕松為模塊下的裸露焊盤提供不間斷的頂層銅薄層。
元件的焊墊面積
Webench中規(guī)定PCB板上元件的“占位面積”單位為mm2，它包括了為每個邊緣預(yù)留的1mm間隔，作為間隙。下面的表格列出了元件的總占位面積，并增加了額外的50%封裝系數(shù)，包括了走線和開放空間。所有的尺寸均基于單面印刷版。
效率和熱仿真
Webench的熱仿真輸出基于如下的運行環(huán)境：Vin 24V，Vout 3.3V，輸出電流3A，環(huán)境溫度55℃，無風(fēng)扇，1.5盎司雙邊銅絲。熱布局圖給出了一種通用的布局方式，不代表可能的最大封裝密度。
從效率圖和熱量分布圖可以清楚地看出：相較于模塊化設(shè)計而言，分立式設(shè)計具有更高的效率，工作時的熱耗散更少。當然，這僅僅只是一個工作點。
分立式設(shè)計的一個優(yōu)點在于其能夠依據(jù)規(guī)定的工作電源和輸出電流來優(yōu)化場效應(yīng)管的選擇。同時還需注意這些仿真都是在將室溫提高到55℃的環(huán)境中進行的。當Tj達到最大值125℃時，模塊化設(shè)計仍然保留了37℃的安全緩沖區(qū)。
圖6 Webench仿真輸出：分立式設(shè)計
圖7 Webench仿真輸出：模塊化設(shè)計
輸出噪聲和發(fā)射
盡管有很多方法可以來量化由開關(guān)電源產(chǎn)生的噪聲，但這里我們僅僅討論兩種設(shè)計的輸出電壓噪聲的比較情況。另外，認為一種方法總是比另一種方法更嘈雜是錯誤的。諸如電感的大小、輸入電壓、開關(guān)頻率和電容阻抗等因素在產(chǎn)生輸出電壓紋波時均發(fā)揮主導(dǎo)作用。
模塊化設(shè)計的一個優(yōu)勢在于：連接穩(wěn)壓器元件的電路走線可以遠少于分立式設(shè)計。LMZ系列的集成模塊使用一個隔離電感器和三維硅堆棧最小化走線長度和電感值，輸出電壓范圍見圖8所示。
圖8 評估板輸出紋波電壓噪聲的測量情況
對于這兩種方法的輸出而言，可以通過降低總電容阻抗進一步降低電壓紋波，這種方法可以通過購買一個更加昂貴的電容或者增加并聯(lián)電容來實現(xiàn)，其不同點在于：分立式設(shè)計中出現(xiàn)的極高頻率的噪聲“尖峰”數(shù)量。所有走線元件的額外寄生電感和電容都會引起了輸出端的高頻尖峰，這種傳導(dǎo)和輻射噪聲也會導(dǎo)致其無法通過噪聲發(fā)射測試。
可靠性方面的考慮因素
工作電源設(shè)計中出現(xiàn)的電路故障可歸結(jié)為以下三點：最初的裝配錯誤、缺乏對濫用的限制（如超載輸出、過高的輸入電壓等）以及因器件壽命縮短而導(dǎo)致的故障。分立式設(shè)計和模塊化設(shè)計都會受到這三點的影響。但是通常情況下，模塊化設(shè)計包含一套更精細的保護機制，因為整個電路是由設(shè)計者“規(guī)劃”的，而模塊制造商將對電路采用一套比最終用戶的典型電源工作條件更為苛刻的測試環(huán)境。
模塊化設(shè)計在比較裝配錯誤、不正確的元件、未填滿的元件以及焊接不良的可能性方面也具有很大的優(yōu)勢。所有需要安裝到印刷電路板上的模塊在售出前均已通過了檢測。
總結(jié)
我們將結(jié)合之前的設(shè)計示例總結(jié)分立式與模塊化穩(wěn)壓器的優(yōu)缺點。一般情況下，這張“記分卡”適用于各類直流/直流穩(wěn)壓器實際應(yīng)用，不過也會出現(xiàn)例外，特別是當設(shè)計標準偏離了普通的電壓及電流范圍時。
GEC
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