在 DCDC 降壓電源模塊中集成輸入和輸出電容器時(shí)進(jìn)行權(quán)衡
1.前言
隨著電子技術(shù)的發(fā)展，以及消費(fèi)類電子設(shè)備的廣泛使用，對(duì)高效直流電源變換(DC-DC)的研究與應(yīng)用成為日益重要的課題。DC-DC電路以其優(yōu)異的特性，在大多數(shù)消費(fèi)類電子設(shè)備中，替代了線性電源變換線路成為了主要應(yīng)用對(duì)象。
DC-DC是一種在直流電路中將一個(gè)電壓值的電能變?yōu)榱硪粋€(gè)電壓值的電能的裝置，其采用微電子技術(shù)，把小型表面安裝集成電路與微型電子元器件組裝成一體而構(gòu)成。
DC-DC的性能
1.輸入輸出端的電壓均為平滑直流,無交流諧波分量
2.輸出阻抗為零
3.快速動(dòng)態(tài)響應(yīng),抑制能力強(qiáng)
4. 高效率小型化
DC-DC電路分為電壓模式和電流模式控制兩種類型，基本原理都是誤差放大器的輸出與三角波比較產(chǎn)生PWM，PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)功率管實(shí)現(xiàn)變換。區(qū)別就是電壓模式的三角波來自三角波發(fā)生器，電流模式的三角波來自電感的電流。
然而DC/DC 降壓 (buck) 負(fù)載點(diǎn)電源模塊的理想目標(biāo)是將整個(gè)物料清單 (BOM) 集成到封裝內(nèi)。實(shí)際上，大多數(shù)電源模塊需要多個(gè)外部組件，包括輸入和輸出電容器。這些電容器通常是外部的，因?yàn)樗鼈兲嘿F且體積太大而無法集成到封裝中。
高開關(guān)頻率降壓架構(gòu)將最大限度地減少外部電容器的尺寸和數(shù)量。但是，雖然這些架構(gòu)縮小了 BOM 以實(shí)現(xiàn)模塊中的集成，但我們必須在性能和操作范圍方面進(jìn)行權(quán)衡。
2.實(shí)際電路舉例
以 TPSM84A21 為例，它是一款 10A DC/DC 電源模塊，采用高頻兩相架構(gòu)，開關(guān)頻率為 4MHz。TPSM84A21 在 9mm x 15mm x 2.3mm 封裝中集成了 66.1μF 的輸入電容和 185μF 的輸出電容、一個(gè)穩(wěn)壓器 IC、兩個(gè)電感器和無源器件。唯一需要的外部組件是單個(gè)編程電阻器。相比之下，LMZ31710 是 10A DC/DC 電源模塊，采用 10mm x 10mm x 4.3mm 封裝，開關(guān)頻率為 500kHz，需要比 TPSM84A21 大得多的電容，所有電容都在模塊外部。表 1 比較了電容。
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TPSM84A21 |
LMZ31710 |
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輸入電容 |
內(nèi)部的： 66.1μF 陶瓷 |
外部的： 100μF 鉭 47.1μ 陶瓷 |
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輸出電容 |
內(nèi)部的： 185μF |
外部的： 200μF 鉭 220μF 陶瓷 |
表 1：TPSM84A21 和 LMZ31710 之間的電容比較
讓我們進(jìn)一步看看這兩種解決方案在規(guī)格、解決方案尺寸、效率、瞬態(tài)響應(yīng)和電磁干擾 (EMI) 性能方面的比較。
3.規(guī)格和功能比較
TPSM84A21 輸出范圍為 0.55V 至 1.2V。1.2V 至 2.05V 的輸出電壓需要 TPSM84A22。相比之下，如表 2 所示，LMZ31710 輸入范圍更寬，單個(gè)器件可覆蓋 0.6V 至 3.6V 的輸出電壓。
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TPSM84A21 |
LMZ31710 |
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最小輸入電壓 (V) |
8V |
4.5V |
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最大輸入電壓 (V) |
14V |
17V |
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最小輸出電壓 (V) |
0.55V |
0.6V |
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最大輸出電壓 (V) |
1.35V |
3.6V |
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最大輸出電流（A） |
10A |
10A |
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典型開關(guān)頻率 |
4MHz |
500kHz |
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電源良好 |
是 |
是 |
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可調(diào)軟啟動(dòng) |
N |
是 |
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電流共享 |
N |
是 |
|
可調(diào)電流限制 |
是 |
是 |
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頻率同步輸入 |
是 |
是 |
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頻率同步輸出 |
N |
是 |
表 2：TPSM84A21 和 LMZ31710 規(guī)格和特性比較
4.布局大小
圖 1 顯示，雖然 TPSM84A21 封裝更大，但整體解決方案面積卻縮小了 60%。
圖 1：解決方案大小比較
5.效率
圖 2 顯示 LMZ31710 在中低負(fù)載下的效率要高得多；然而，在滿載時(shí)，效率類似于 12V 至 1.2V 的轉(zhuǎn)換。
圖 2：12V 至 1.2V 轉(zhuǎn)換的效率比較
圖 3 顯示了 TPSM84A22 和 LMZ31710 的效率在 12V 至 1.8V 轉(zhuǎn)換時(shí)的相似之處。
圖 3：12V 至 1.8V 轉(zhuǎn)換的效率比較
6.瞬態(tài)響應(yīng)
正如我們在圖 4 中看到的，TPSM84A21 的瞬態(tài)響應(yīng)在沒有外部輸出電容的最壞情況下要好得多。
圖 4：瞬態(tài)響應(yīng)比較
7.輻射電磁干擾
在圖 5 中，TPSM84A22 和 LMZ31710 的輻射 EMI 均符合 Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques (CISPR) 22 B 類輻射 EMI，但 LMZ31710 的峰值輻射較低。
圖 5：輻射 EMI 比較
8.結(jié)論
在小尺寸內(nèi)集成輸入和輸出電容器需要高開關(guān)頻率架構(gòu)，這顯著減小了整體解決方案尺寸和瞬態(tài)響應(yīng)，并使設(shè)計(jì)非常簡單。權(quán)衡是更窄的工作輸入和輸出電壓范圍、在某些條件下更低的效率以及更高的峰值輻射 EMI。采用傳統(tǒng)的電流模式降壓架構(gòu)，工作范圍更廣，效率高，功能更多。根據(jù)具體情況，TPSM84A21/2 和 LMZ31710 都是負(fù)載點(diǎn)應(yīng)用的絕佳選擇。
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