非同小可：如何減小穩(wěn)壓器尺寸

我的妻子喜歡花，每次收到一束簡單、小巧的鮮花都能讓她滿面笑容。鮮花也能讓家變得更加溫馨，也為我們帶來愉悅的心情。

如果減小穩(wěn)壓器尺寸也如此簡單就好了。但在大多數(shù)情況下，可用的電路板空間總是不夠容納所有的部件，有限的空間需要承載更多的特性和功能。高集成度和摩爾定律在減小設(shè)備尺寸方面非常有效，但對于直流(DC/DC)轉(zhuǎn)換器卻效果不大，因為功率轉(zhuǎn)換器往往要占用30%到50%的系統(tǒng)空間。那么，怎樣才能突破這一瓶頸呢?

提高工作頻率無疑是一個顯然的方案。大多數(shù)負載點穩(wěn)壓器均為采用降壓拓撲結(jié)構(gòu)的開關(guān)轉(zhuǎn)換器。提高開關(guān)頻率可以降低滿足穩(wěn)壓器設(shè)計規(guī)格所需的電感和電容。鑒于電感器和電容器通常占用大部分的DC/DC轉(zhuǎn)換器空間，如圖1(a)所示，這樣做可能非常有效。但事實上卻并非那么簡單。那么，究竟是為什么呢?

圖1：500kHz時12VIN，10AOUT降壓轉(zhuǎn)換器(a)和每相2MHz時串聯(lián)電容器(b)的尺寸對比

盲目提高頻率會增加功耗。開關(guān)頻率與損耗呈正比，每次開關(guān)電源時，都會產(chǎn)生能耗。其中，轉(zhuǎn)換效率下降和散熱可能是主要問題。如今，大多數(shù)轉(zhuǎn)換器的頻率都限于數(shù)百千赫的范圍內(nèi)。而頻率高于1MHz的轉(zhuǎn)換器通常都是典型的低電壓(5V及以下)和低電流(小于1A)類型。

是時候在降壓的范疇之外尋找其他解決方案了。幾十年來，降壓轉(zhuǎn)換器一直是業(yè)界的主選方案，但同時它也存在基礎(chǔ)性的缺陷?，F(xiàn)在，我們推出了一種新型DC/DC轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)，其為高電壓轉(zhuǎn)換比負載點的應(yīng)用進行了優(yōu)化。該串聯(lián)電容器降壓轉(zhuǎn)換器在不影響效率的情況下，可實現(xiàn)數(shù)兆赫的操作頻率。如圖1(b)所示，整體解決方案的尺寸進行了大幅縮小?；赥PS54A20的串聯(lián)電容器降壓轉(zhuǎn)換器與圖1(a)中的降壓轉(zhuǎn)換器具有相同的輸入和輸出條件時，尺寸卻比后者小8倍。即1,270 mm3 vs 157 mm3。

圖2：500kHz時12 VIN，10 AOUT降壓變換器(a)和每相2MHz時串聯(lián)電容器(b)的高度對比

穩(wěn)壓器尺寸的減小為我們提供了更多的機會。對比圖2中所示的高度剖面圖我們可以看到，常規(guī)降壓變換器的高度為4.8毫米，然而對于背面部件而言，這一高度遠超很多系統(tǒng)的高度限制。串聯(lián)電容降壓轉(zhuǎn)換器(1.2毫米高)的低斷面可以讓您將穩(wěn)壓器置于電路板背面，這樣便可以釋放寶貴的頂側(cè)基板面。之前將整個10A轉(zhuǎn)換器置于其背面在之前不太現(xiàn)實，因為無源部件體積過大， 但如今有了TPS54A20，一切便成了可能。