超小型DC-DC转换器作用以及如何最好应用

电路

系统或电路板的配电网络或电力树的设计通常在集中式和分散式之间转换。这是由技术和组件的进步以及设计要求驱动的振荡。在为其他功能节省空间是主要关注的情况下，设计人员可以转向具有其他优势的微型DC-DC转换器。

这些微型DC-DC单元的附加优势包括允许设计人员灵活地重新评估其电源树拓扑结构，对电路板布局的影响，减少约束，提高性能和效率，同时节省整体空间。
本文将在介绍样品器件之前讨论超小型DC-DC转换器的作用以及如何最好地应用它们。

为什么转向超小型转换器？

微小降压（降压模式）DC-DC电源转换器的出现反映了从使用更大的中间总线转换器（IBC）到为相对大的负载点（POL）转换器供电，然后为相对较大的包含多个IC的子系统供电。

相反，设计人员现在可以选择使用高度分布的，物理上很小的转换器，这些转换器可以放在它们的负载旁边，这可以只是一个IC及其支持组件。

使用这些高度分布式DC-DC转换器有两个原因。首先，新的微型元件，更高的工作频率（达到兆赫兹（MHz）范围），先进的制造技术以及对封装的增强使得易于使用的DC-DC单元具有令人印象深刻的性能。其次，以这种方式提供电源轨还为电路设计，整体电路板布局和最终产品带来了许多主要和次要的好处。

此外，虽然看似违反直觉，但使用许多较小的转换器实际上可以减少总功率子系统占用空间，节省印刷电路板空间，并提供添加功能和功能的机会。

看看具体细节

查看与这些转换器相关的性能和尺寸规格很有意思。例如，德州仪器 LMZ10501 “纳米”模块是一种降压DC-DC转换器，可以驱动高达1安培（A）的负载（图1）。

图1：德州仪器（ti）LMZ10501 DC-DC转换器可提供高达1 A的电流，效率高达95％。（图片来源：德州仪器）

尽管有这样的输出额定值，但它的“纳米”名称仍然是正确的，因为它采用8引脚，3.00毫米（mm）×2.60mmμSIP封装，包括其电感（图2）。

图2：LMZ10501 DC-DC稳压器采用3.00 mm×2.60mmμSIP封装，包括其电感。底部视图显示其联系人（左）; 顶视图由电感器控制（右）。（图片来源：德州仪器）

LMZ10501不是一个简单的设备，因为它包括基于内部电流限制的软启动功能，以及电流过载保护和热关断。在基本操作的典型应用中，它只需要一个输入电容，输出电容，一个小的V CON滤波电容和两个电阻（图3）。集成电感的额定直流电流为1.2 A DC，由“软”饱和曲线支持，最高可达2 A.

图3：LMZ10501仅需三个小电容和两个电阻即可工作; 相对较大的电感器是IC本身的一部分。（图片来源：德州仪器）

选择外部电容需要仔细考虑。为了在尺寸，成本，可靠性和性能之间提供最佳平衡，输入和输出滤波器都应该是低ESR MLCC组件。额定电压为6.3或10伏的单个10微法（μF）电容（0603或0805尺寸）通常足以绕过V IN ; 也可以使用多个4.7μF或2.2μF电容。

请注意，选择电容值太小的电容会因较低的环路相位裕度而导致不稳定。相反，如果输出电容太大，可能会阻止输出电压达到启动序列结束时所需的0.375伏电平。使用大于推荐值的值没有明显的好处。

看一下尺寸的含义

由于占地面积小，设计人员可以重新思考并着眼于为各种IC和其他组件提供电源的新方法。而不是位于距离较远的较大电源 - 例如印刷电路板的角落 - 这种μSIP允许在负载旁边进行最后阶段调节。作为额外的好处，这些设备与标准的取放机和焊台完全兼容。

如何使用这些多个较小的单位节省空间？它以明显和不那么明显的方式实现：

它们减少了对上游电源中高价值，物理上更大的大容量电容器的需求，因为现在大部分调节都是在负载本地完成的。
它们允许定制最终DC轨道（或轨道）到上游DC-DC或AC / DC电源单元的负载细节。
由于该直流导轨靠近负载，因此减少了对导轨上的小旁路电容的需求。实际上，负载上的超小型DC-DC转换器不仅可以提供所需的功率，还可以起到部分或全部旁路电容的作用。
由于靠近位置，改善了瞬态响应。
转换器的尺寸可以单独调整，以便在其最佳负载与效率窗口之间运行。这样可以提高整体效率，在较宽的区域内扩散其适度的功耗，并且可以省去风扇或散热器。
这些设备很薄，可以放在印刷电路板的底部，即使电路板位于密集的机架或薄外壳中。同样，这可以灵活地增强布局，从而可以节省空间。
“嘈杂”IC和敏感IC之间的串扰和噪声大大降低。
虽然这些转换器不是电隔离的，但如果需要小型隔离转换器，则只需要针对隔离功能进行调整。
最后，它减少了对更宽电路板走线的需求，以减少DC轨上的IR压降和寄生效应，从而影响负载侧瞬态性能。

请注意，这些微型DC-DC转换器不限于1A以下的负载。例如，同样来自德州仪器的TPS82130 MicroSiP™电源模块提供3至17 V输入的3A输出电流，集成了同步步进降压转换器和电感器，提供0.9到6伏之间的可调输出电压（图4）。

图4：德州仪器（TI）的TPS82130 DC-DC模块仅需几个外部无源元件，可在3至17伏特的直流输入电压下，在0.9至6伏（用户可调）下提供高达3 A的电流。（图片来源：德州仪器）

不要被这里的“模块”指定误导，因为该设备的尺寸仅为3.0 mm×2.8 mm×1.5 mm。查看相应的性能曲线表明，其整体高效率峰值略高于1 A，并保持高达3 A额定值（图5）。

图5：TPS82130的效率DC-DC一旦在较高负载下工作且峰值高于1 A，其效率约为60％或更高，使其尺寸能够与负载最佳匹配。（图片来源：德州仪器）

解决相对时间问题

当系统具有多个轨道时，通常存在与它们相对于彼此的开启/关闭时序相关的问题。有三种基本类型的时间; 排序，比例和同步，以及每个的变化。任何这些都可以通过使用TPS82130上的使能（EN）引脚和软启动/跟踪（SS / TR）引脚以及一些电阻和/或电容来实现（为简单起见，假设只有两个电压轨）。

在顺序定时中，第二个设备仅在第一个设备之后打开
设备已达到规定（图6）。

图6：多个TPS82130单元可配置为顺序定时，左侧调节器在右侧之前打开。注意：虽然图中的IC标记为TPS62130，但TPS82130具有改进的规格，但具有相同的功能和引脚排列。（图片来源：德州仪器）

在比率计时中，两个输出电压同时启动并同时达到调节（图7）。它被称为“比率”，因为两个电压通常不同，使得它们的dV / dt斜率不同，但它们通过常数因子相关。

图7：在比率计时（左）的配置中，第二个电压上升与第一个（右）同时开始和结束，它们之间具有固定的比率。（图片来源：德州仪器）

最后，在同时启动时，两个输出电压的斜率相同，导致电压在不同时间达到调节（图8）。

图8：在同步模式下，两个电压同时开始上升，但它们各自在不同时间达到调节。（图片来源：德州仪器）

除了相对启动排序之外，还可能存在“软启动”（电源上电时电压上升的速率）以及实际轨道电压相对于彼此的相对跟踪的问题。TPS82130还使用其SS / TR连接为此做好准备。

如何处理这个新释放的空间？

如何使用“现在可用”空间有很多可能性，但选择正确的空间取决于应用程序的优先级。对于许多设计，首先要考虑的是改善电气和机械的坚固性，这些区域通常在空间紧张时“减少”。

这可能意味着在易受攻击的I / O线路上增加电源钳位和撬棒，瞬态电压抑制器和反极性保护。在机械方面，添加额外的印刷电路板支撑和连接螺钉，压紧，电池夹或其他结构改进可能是一个很好的利用空间。

接下来，是时候考虑添加可能有用的额外功能或功能了。现在可能还有更大的电池，更大的显示器和驱动器IC，更多的指示灯LED，甚至是添加的用户按钮。现在可能有更大的内存选项，即使它需要更大的IC封装。使用这些微小的本地DC-DC转换器可能获得的适度空间可能足以提供更多功能，特别是当电路板布局现在增加了灵活性时。

结论

有时，较少可能意味着更多的意外。超小型DC-DC降压转换器的可用性允许将调节放置在非常靠近负载的位置，这对电气性能，电路板布局，上游电源单元的尺寸和类型以及热图具有连锁反应。
使用超小型转换器的衍生效果是它们在设计的固定包络内可以提供更多的电路板空间，从而允许其他电气和机械改进，以及新功能和功能的增加。