1.前言
許多應用需要多個電源電路，我們需要使用雙輸出穩(wěn)壓器來減少集成電路 (IC) 的數(shù)量。
圖 1：輸入電流和紋波與同相開關（紅色）和異相開關（藍色）
在單輸出穩(wěn)壓器和雙輸出穩(wěn)壓器之間進行選擇時需要進行權衡。在本文中，我將以德州儀器 (TI) 的單路 6A TPS543620 輸出 DC/DC 穩(wěn)壓器和雙路 6A TPS541620 輸出 DC/DC 穩(wěn)壓器為例，討論兩者的優(yōu)點并重點介紹何時使用其中之一。
2.何時使用雙輸出穩(wěn)壓器
在多種應用中，雙輸出穩(wěn)壓器比單輸出穩(wěn)壓器更具優(yōu)勢。當我們的設計需要最小的解決方案尺寸時，我們可能會考慮使用雙輸出穩(wěn)壓器，例如在固態(tài)驅(qū)動器中。當負載點（例如數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器或處理單元）具有多個并置的電源軌時，我們還可以選擇雙輸出穩(wěn)壓器，從而使我們能夠?qū)⒎€(wěn)壓器放置在它正在供電的設備旁邊，并且布線最少。最后，雙輸出穩(wěn)壓器可以通過將兩個輸出并聯(lián)在一起來為需要兩倍電流的電源軌供電，從而提供更高的靈活性。
雙輸出穩(wěn)壓器還有助于縮小解決方案尺寸。即使雙輸出穩(wěn)壓器的封裝尺寸是單輸出穩(wěn)壓器的兩倍，元件間隙要求也需要兩個單輸出穩(wěn)壓器的更大面積。例如，如果設計規(guī)則要求 IC 周圍留有 1 毫米的間隙，則 5 毫米 x 3 毫米雙輸出穩(wěn)壓器將占用 24 毫米2，而兩個 2.5 毫米 x 3 毫米單輸出穩(wěn)壓器將占用占用 28 毫米2。那些設計需要更多間隙的人將看到雙輸出穩(wěn)壓器的額外好處。
雙輸出穩(wěn)壓器最小化解決方案尺寸的另一種方法是減少所需的輸入電容。當?shù)湫偷膯屋敵鼋祲恨D(zhuǎn)換器的高邊 MOSFET 導通時，會從輸入拉出浪涌電流。使用雙輸出穩(wěn)壓器時，兩個輸出的開關相位相差 180 度，因此這種輸入電流浪涌發(fā)生在不同的時間。這也可以通過兩個支持與外部時鐘同步的單輸出穩(wěn)壓器來實現(xiàn)，例如 TPS543620。但是，將兩個 TPS543620 同步到 180 度異相時鐘確實需要另一個外部電路來生成異相時鐘。
圖 1 中簡單仿真的結(jié)果表明，對于 1V 和 1.8V 輸出（均具有 6A 負載），同相切換帶來的改進。仿真參數(shù)包括 1MHz 開關頻率、12V 輸入、1μH 電感器和 10μF 輸入電容器，每個輸入端具有 3mΩ 等效串聯(lián)電阻。使用同相開關（以紅色顯示）時，通過高邊 MOSFET 的峰值輸入電流略高于 12 A，均方根 (RMS) 電流為 3.8 A，并且 MOSFET 上的峰峰值紋波輸入為 73 mV。使用異相開關（以藍色顯示）時，峰值輸入電流降至 6 A 以上，RMS 電流為 2.9 A，輸入上的峰峰值紋波為 46 mV。在本例中，異相開關將輸入軌上的輸入紋波降低了 1.6 倍。
作為對潛在空間節(jié)省的估計，兩個 0805 10-μF 電容器將有助于在每個輸入上實現(xiàn)接近 10 μF 的有效輸入電容和 12-V 輸入。對于兩個單輸出穩(wěn)壓器同相切換，我們需要在每個輸入上使用三個 0805 10-μF 電容器以獲得大致相同的輸入紋波。假設每個電容器之間需要 0.5 mm 的間隙，雙輸出穩(wěn)壓器的輸入電容器的面積為 17.5 mm 2，而兩個單輸出穩(wěn)壓器的面積為 26.25 mm 2。
圖 2 顯示了僅穩(wěn)壓器和輸入電容器的簡化布局，用于比較雙穩(wěn)壓器和兩個單穩(wěn)壓器的尺寸。雙穩(wěn)壓器可節(jié)省 30 mm 2的面積。
圖 2：單穩(wěn)壓器和雙穩(wěn)壓器之間的尺寸比較，僅包括輸入電容
雙輸出穩(wěn)壓器在為需要多個電源軌的單負載設備供電時也很有優(yōu)勢，如圖 3 所示。我們可以將雙輸出穩(wěn)壓器放置在它正在供電的設備旁邊，布線最少。
圖 3：雙穩(wěn)壓器為單個負載上的兩個電源軌供電
最后，雙輸出穩(wěn)壓器可以通過將兩個輸出并聯(lián)在一起來為需要兩倍電流的電源軌供電，從而提供額外的設計靈活性。如果我們使用的是單輸出穩(wěn)壓器，則需要一個額外的穩(wěn)壓器來提供更高的電流軌。將雙輸出穩(wěn)壓器的兩個輸出并聯(lián)以為更高電流軌供電有助于最大限度地減少物料清單中獨特組件的數(shù)量。與單個 12A 穩(wěn)壓器相比，輸出并聯(lián)的雙輸出穩(wěn)壓器可以具有更低的穩(wěn)態(tài)輸出紋波。通過并聯(lián)輸出，雙輸出穩(wěn)壓器可以使用兩個 6A 1μH 電感器，其輸出紋波是具有單個 12A 470nH 電感器的單輸出穩(wěn)壓器的一半，同時實現(xiàn)相同的瞬態(tài)響應性能。
或者，使用雙輸出穩(wěn)壓器時，兩個低電流 470nH 片式電感器（尺寸為 2.5 mm x 2.0 mm x 1.2 mm）將降低成本并實現(xiàn)更低高度的解決方案。要獲得具有相似效率的近似等效直流電阻 (DCR)，單個更高電流的 470nH 電感器必須為 4.0 mm x 4.0 mm,高度為 2.1 毫米或 3.1 毫米。大電流電感器的 DCR 為 8 mΩ，而每個小電流電感器的 DCR 為 17 mΩ。
圖 4 顯示了單個高電流電感器和兩個低電流電感器之間的尺寸差異。這些尺寸來自其數(shù)據(jù)表中電感器的最大指定尺寸。大電流電感器的占位面積為 18.5 mm 2；兩個低電流電感器的占地面積為 14 mm 2，并且高度有所降低。
圖 4：兩個 6A 電感器和單個 12A 電感器之間的尺寸比較
3.何時使用單輸出穩(wěn)壓器
當穩(wěn)壓器必須在高環(huán)境溫度下工作時，例如在有源天線系統(tǒng)中，單輸出穩(wěn)壓器比雙輸出穩(wěn)壓器更具優(yōu)勢。
對于環(huán)境溫度較高的應用，兩個單輸出穩(wěn)壓器比一個更好，因為它們可以將功耗分散到兩個 IC 上，而雙輸出穩(wěn)壓器將功耗集中到單個 IC 上。在各自的評估模塊布局中，單輸出穩(wěn)壓器的 R θJA為 29°C/W，而雙輸出穩(wěn)壓器的 R θJA為 27°C/W。假設 IC 在應用中僅升溫 40°C，每個輸出穩(wěn)壓器可以處理每個輸出的估計功耗為 1.38 W。
另一方面，雙輸出穩(wěn)壓器將被限制為 1.48 W – 或每個輸出僅 0.74 W。雙輸出穩(wěn)壓器中這種較低的最大功耗以將溫升保持在 40°C 以下，可以限制穩(wěn)壓器在高環(huán)境溫度應用中可以支持的最大電流。雙輸出穩(wěn)壓器的功耗可以通過在較低的開關頻率下工作來降低。然而，較低的開關頻率增加了解決方案尺寸，從而消除了雙輸出穩(wěn)壓器的主要優(yōu)勢——較小的解決方案尺寸。
此外，考慮到在一個 IC 中放置兩個穩(wěn)壓器時需要在引腳排列中進行權衡，雙輸出穩(wěn)壓器的引腳排列最終可能不如單輸出穩(wěn)壓器優(yōu)化。因此，雙輸出穩(wěn)壓器可能需要更慢地開啟和關閉功率 MOSFET，以將電壓應力保持在器件額定值內(nèi)。然后，雙輸出穩(wěn)壓器比單輸出穩(wěn)壓器具有更多的開關損耗，從而導致更大的熱性能差異。單輸出穩(wěn)壓器可以具有更優(yōu)化的引腳排列，以使功率 MOSFET 能夠更快地開啟和關閉。
TPS543620 封裝兩側(cè)的 VIN 和 GND 引腳使我們能夠在功率級的每一側(cè)放置一個旁路電容器，從而最大限度地減少印刷電路板 (PCB) 寄生電感。最小化 PCB 寄生電感可以最小化開關節(jié)點振鈴。TPS543620 還具有一個較大的 SW 引腳，允許在 PCB 布局上使用更寬的開關節(jié)點走線，從而最大限度地降低 PCB 寄生電阻。
通過提供更多布局優(yōu)化選項，在 PCB 布局方面，單個輸出穩(wěn)壓器也更易于使用。首先，單輸出穩(wěn)壓器可以靈活地放置每個穩(wěn)壓器，如圖 5 所示。當被供電的設備分布在 PCB 周圍時，這是有利的。對于雙輸出穩(wěn)壓器，我們可能需要在布局上進行權衡，這會導致穩(wěn)壓器與其供電的設備之間的布線距離過長。此外，使用兩個單穩(wěn)壓器有助于以更多方式定位兩個輸出，當電路板面積有限時，這可以使布局更容易優(yōu)化。使用雙輸出穩(wěn)壓器時，器件放置的靈活性較低。
圖 5：兩個單輸出穩(wěn)壓器，每個為兩個負載供電
表 1 總結(jié)了在單輸出和雙輸出穩(wěn)壓器之間進行選擇時要記住的注意事項。
4.結(jié)論
在單輸出穩(wěn)壓器和雙輸出穩(wěn)壓器之間進行選擇時，沒有簡單的答案。這兩種類型的設備各有優(yōu)勢，但最佳選擇取決于對我們的應用最重要的是什么。雙輸出穩(wěn)壓器通過減小解決方案尺寸解決了電路板空間有限的問題。雙輸出穩(wěn)壓器還可以通過減少物料清單中的組件數(shù)量來提供更簡單的設計。在高環(huán)境溫度下工作時，單個輸出穩(wěn)壓器可以更輕松地解決問題，因為它會在較低的結(jié)溫下工作，從而實現(xiàn)更高的輸出電流。單輸出穩(wěn)壓器還可以簡化設計，因為它提供了更大的靈活性。
下載文檔
