作者: Murata Power Solutions 應(yīng)用工程師 Paul Knauber

基礎(chǔ)原理

5V 和3.3V 電壓通常都具有良好的穩(wěn)壓，而12V 輸入的電源則可能受中間匯流排轉(zhuǎn)換器(IBC)的效能主宰。在近乎穩(wěn)壓完成、或所謂「固定比」轉(zhuǎn)換器的案例中，基本上是沒(méi)有輸入線性穩(wěn)壓的。舉例而言，當(dāng)正常48Vdc 電池備用電源里的容許變異范圍被納入考慮時(shí)，對(duì)應(yīng)POL 轉(zhuǎn)換器的輸入作業(yè)范圍便可放寬至9.6-14.1V。

輸出額定功率

其它可使設(shè)計(jì)人員符合各種系統(tǒng)需求的選項(xiàng)，還包括固定或可變輸出電壓。

某些POL 系列產(chǎn)品，如Murata 的HEN、LEN 及LQN 系列便提供廣泛的分離式輸出電壓，其亦可于±10%的范圍內(nèi)修整，讓設(shè)計(jì)人員只需存取0.75V 和5.0V 之間的任何電壓即可。其它系列產(chǎn)品也可在0.75V 至5.0V 的整個(gè)范圍內(nèi)進(jìn)行修整，如此，只需指定針對(duì)各使用點(diǎn)之單一編程電阻來(lái)滿(mǎn)足多重電壓需求的單一零件料號(hào)即可，因而能簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)階段的認(rèn)證程序以及物料管理問(wèn)題。

現(xiàn)代的POL，一般都是依輸出額定電流分類(lèi)，而非輸出功率。因?yàn)殡娏鞴?yīng)通常是主要限制所在。大多數(shù)情形下，只需選擇一個(gè)模式，也就是能夠輸送等于或超過(guò)最壞情形的穩(wěn)定狀態(tài)負(fù)載之輸出額定電流即可。

另一方面，高容量負(fù)載可能需要能大幅超過(guò)穩(wěn)定狀態(tài)需求的峰值電流。舉例而言，輸出去耦電容的效應(yīng)必須加以考慮，另外，因具有大量?jī)?nèi)部閘極而呈現(xiàn)高電容性之FPGA 等負(fù)載亦然。為確保輸出單調(diào)上升以預(yù)防假性開(kāi)機(jī)重置動(dòng)作(POR)，避免會(huì)降低輸出電壓的電流限制起始位置是必要的。在這類(lèi)情形下，即需檢查轉(zhuǎn)換器的電流限制起始點(diǎn)，以及／或以采用突波限制電路的方式來(lái)減緩峰值需求量。

瞬時(shí)響應(yīng)瞬時(shí)響應(yīng)是一相重要性與日俱增的效能參數(shù)，尤其是特征為低核心電壓、高電流汲取及快速負(fù)載切換的微處理器和FPGA 負(fù)載方面。大多數(shù)POL 技術(shù)資料文件都根據(jù)專(zhuān)有的準(zhǔn)則來(lái)說(shuō)明此裝置的瞬時(shí)效能，如此將缺少標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試條件組，對(duì)于在不同制造廠商的POL 之間進(jìn)行有意義的比較時(shí)會(huì)產(chǎn)生影響。施加的負(fù)載瞬時(shí)大小系以最高額定輸出電流的百分比來(lái)表示，其可能會(huì)隨制造廠商而有不同，負(fù)載步階的開(kāi)始和結(jié)束點(diǎn)也是如此。舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè)系統(tǒng)對(duì)于25-50%負(fù)載步階時(shí)之響應(yīng)可能會(huì)比對(duì)0-25%步階時(shí)更好。此外，有些技術(shù)數(shù)據(jù)文件可能只記載正向負(fù)載步階，而不會(huì)記載補(bǔ)償性的負(fù)向斜率步階。

通常以每微秒安培數(shù)為單位表示的指定負(fù)載步階旋轉(zhuǎn)率，也同樣沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化。施加較慢的瞬時(shí)會(huì)讓轉(zhuǎn)換器和輸出電容有更多的機(jī)會(huì)響應(yīng)負(fù)載變化；引用的旋轉(zhuǎn)率可能跨越三個(gè)以上的大小等級(jí)，從小如0.5A/μs、大至1200 A/μs皆有。某些技術(shù)數(shù)據(jù)文件甚至未提及旋轉(zhuǎn)率，因而會(huì)妨礙設(shè)計(jì)人員評(píng)估其暫態(tài)響應(yīng)。

輸出電壓回到穩(wěn)定狀態(tài)輸出電壓百分比范圍內(nèi)的回復(fù)時(shí)間也各有不同，有些技術(shù)數(shù)據(jù)文件記載的是2%，有些則可能引用1.5%或1%的數(shù)據(jù)。

因此，實(shí)際的測(cè)試往往有其必要，以便確認(rèn)所選的POL 是否支持實(shí)際的負(fù)載瞬時(shí)。請(qǐng)注意，設(shè)計(jì)人員可藉由調(diào)整輸出電容來(lái)改善瞬時(shí)響應(yīng) － 前提是需要能維持低ESR。增加輸入電容亦可強(qiáng)化針對(duì)更長(zhǎng)及／或更深瞬時(shí)步階的響應(yīng)。

增加轉(zhuǎn)換器相位數(shù)也可改善瞬時(shí)響應(yīng)，這是靠著增加有效切換頻率來(lái)使輸出電感和電容變小而達(dá)成的，因?yàn)槿绱丝蓽p少每一相位的電流。舉例來(lái)說(shuō)，Murata 的JZY 系列單相位POL 可支持多達(dá)四個(gè)模塊同時(shí)以500kHz、750kHz或1MHz 平行操作，以交錯(cuò)輸出提供多相位效能。

漣波與噪聲輸出漣波和噪聲會(huì)在輸出電壓構(gòu)成不必要的誤差。這些結(jié)果來(lái)自轉(zhuǎn)換過(guò)程，其有時(shí)與 周期性電壓及隨機(jī)標(biāo)準(zhǔn)差(PARD) 有關(guān)，或單純就是PARD。

就低DC 電壓而言，PARD 的實(shí)際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是1%（針對(duì)大于5V 的電壓）或是低于5V 電壓時(shí)的50mVp-p。然而，為了縮減成本和尺寸，有些零件包含的濾波較少，因此可能顯示比這些數(shù)字高的極大值。大多數(shù)的POL 技術(shù)資料文件均載有符合發(fā)行規(guī)格所需的外部去耦電容（及伴隨的ESR）數(shù)量。在絕大部分的案例中，額外的去耦電容都會(huì)減低輸出噪聲。針對(duì)這點(diǎn)，了解最高輸出電容是相當(dāng)實(shí)用的。

反射的漣波電流會(huì)顯示由轉(zhuǎn)換器切換動(dòng)作所造成的輸入電流變化。這種波動(dòng)現(xiàn)象會(huì)因漣波電流本身而產(chǎn)生傳導(dǎo)式EMI，以及從輸入導(dǎo)體產(chǎn)生的幅射式EMI。此外，漣波電壓會(huì)在輸入電源端上感應(yīng)產(chǎn)生電源阻抗的結(jié)果。大多數(shù)Murata 的POL 都包含內(nèi)部輸入電容，以降低反射的漣波電流，但我們也建議設(shè)計(jì)人員注意電路板布線，以及使用輸入電容，以將漣波電流減緩效果達(dá)到最高。低ESR 將可確保減少漣波電流，例如，具備低ESR 的大型輸入電容，在開(kāi)機(jī)時(shí)輸入軌至POL 電壓開(kāi)始上升，從而對(duì)自身電容充電，導(dǎo)致涌浪電流上升。

穩(wěn)壓在輸出和負(fù)載間的穩(wěn)壓中，大多數(shù)POL 都能提供標(biāo)稱(chēng)輸出±1%以?xún)?nèi)的電壓穩(wěn)壓，這已經(jīng)比大多數(shù)應(yīng)用所需要的都來(lái)得好了。遙端感測(cè)功能在維持穩(wěn)壓方面相當(dāng)重要，在低輸出電壓及高輸出電流的情形下，配電降低會(huì)于負(fù)載時(shí)對(duì)輸出電壓產(chǎn)生更深遠(yuǎn)的效果，此下降也會(huì)隨著負(fù)載電流需求而異。只要將POL 穩(wěn)壓器靠近負(fù)載點(diǎn)配置，應(yīng)可應(yīng)付大多數(shù)配電降低的情形；遙端感測(cè)可應(yīng)付小量剩余的降低量，并負(fù)責(zé)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)。

效率

POL 的效率對(duì)散熱管理及設(shè)計(jì)有明顯的效果，尤其是與兩個(gè)相對(duì)高效率之裝置相比。效率上1-2%的差異，實(shí)際上并不會(huì)造成太明顯的不同效能，這點(diǎn)對(duì)于如80%和82%的效率來(lái)說(shuō)，大體上是正確的。然而，在與假設(shè)為94%及96%的效率相較時(shí)，一個(gè)POL 就會(huì)比另一個(gè)多消耗50%，因?yàn)樯嵩O(shè)計(jì)必須考慮效率的補(bǔ)碼，而非效率本身。也就是說(shuō)，當(dāng)100%-94%=6%和100%-96%=4%作比較時(shí)，效率越接近100%，差異就越會(huì)被放大。

為了促進(jìn)有效的散熱設(shè)計(jì)，Murata 提供一條降低額定功率曲線，亦即畫(huà)出在各種氣流速及環(huán)境空氣溫度下所產(chǎn)生和排散的熱量之平衡圖。不過(guò)，在參考這份數(shù)據(jù)時(shí)，設(shè)計(jì)人員也應(yīng)考慮個(gè)別應(yīng)用的特定主題，如氣流方向、阻礙物、擾流、渦電流和空氣停滯區(qū)域。

封裝選擇

分布式電源設(shè)計(jì)的成熟程度已經(jīng)拋出數(shù)種提議，欲將非隔離轉(zhuǎn)換器的接腳占位標(biāo)準(zhǔn)化。主要參與者包括工業(yè)界聯(lián)盟，例如負(fù)載點(diǎn)聯(lián)盟(POLA)、分布式電壓公開(kāi)標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟(DOSA)以及Z-One 聯(lián)盟。每個(gè)陣營(yíng)都提出各式各樣的接腳占位來(lái)配合輸出電流位準(zhǔn)的大小，且已制作出較小的SIP 和SMT 封裝，讓設(shè)計(jì)人員用來(lái)建制DPA。Murata Power Solutions 是DOSA 和Z-One 聯(lián)盟的成員之一，并且提供符合各種已定義封裝的POL。

就封裝形式與材料來(lái)說(shuō)，趨勢(shì)傾向開(kāi)放式基板型架構(gòu)，以提供具價(jià)值的成本降低效果。對(duì)于需要更強(qiáng)固封裝的應(yīng)用，含散熱密封材質(zhì)的五邊鋼制機(jī)盒則是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。Murata UNR 系列即為一個(gè)實(shí)例。

特性

除考慮額定功率及效能外，設(shè)計(jì)者還可從廣泛的新增特性中選擇，協(xié)助系統(tǒng)級(jí)整合及于終端產(chǎn)品中支持不同特性功能。共通的可用特性實(shí)例，包括：遠(yuǎn)端感測(cè)、遠(yuǎn)程開(kāi)/關(guān)、輸出電壓同步化、輸出修整、輸入/輸出過(guò)壓保護(hù)、欲置偏壓開(kāi)機(jī)、狀態(tài)指示器、電流限制及過(guò)熱保護(hù)等。

成本

對(duì)于正在非隔離式POL 間尋找有意義成本比較的設(shè)計(jì)者，我們建議鎖定在每安培成本。由于較低輸出電壓及較高電流儼然成為趨勢(shì)，這個(gè)方向?qū)⑻峁┳罹叽硇缘脑u(píng)估方式。

關(guān)于 Murata

Murata Manufacturing Company Ltd 總部位于日本東京，為全球陶瓷零組件、傳感器及AC/DC 與DC/DC 電源解決方案的領(lǐng)導(dǎo)供貨商之一。該公司成立于1950 年，于全球擁有超過(guò)26,000 名員工，以及超過(guò) 49 億美元的合并年銷(xiāo)售額 (2007 年3 月31 日計(jì))。不論何時(shí)、何地，Murata 的電子零組件均為您的需求運(yùn)作不懈。

典型的POL 輸出電壓范圍，通常是0.8Vdc 至5.0Vdc。一般而言，這些都是降壓穩(wěn)壓器，其輸出電壓小于輸入電壓。除此之外，設(shè)計(jì)人員還需考慮轉(zhuǎn)換器在3V 輸入范圍作業(yè)時(shí)的壓降限制。對(duì)于典型、1.2V 左右的壓降限制而言，2.5V 輸出的需求可以透過(guò)5V 或12V 的輸入獲得滿(mǎn)足，但3.3V 則無(wú)法達(dá)成。 任何轉(zhuǎn)換器的最基本設(shè)計(jì)考慮都是輸入、輸出電壓及電流。大多數(shù)POL 所提供的標(biāo)稱(chēng)輸入范圍均為3.3V、5V 和12V。由于3.3V 和5V 電源通常都具有良好的調(diào)節(jié)，因此±10%的輸入作業(yè)范圍對(duì)這類(lèi)應(yīng)用已綽綽有余。某些產(chǎn)品（例如Murata Power Solutions 的LSN 和LSM系列）亦可支持更廣的輸入電壓范圍（例如3.0-5.5V 或2.4-5.5V），以適應(yīng)3.3V 或5.0V 的標(biāo)稱(chēng)輸入。 分布式電源架構(gòu)之設(shè)計(jì)人員，可從多種非隔離負(fù)載點(diǎn)(POL)轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行選擇，以提供各式輸入及輸出額定功率、效率等級(jí)和特性，及多種構(gòu)型。對(duì)于最終產(chǎn)品的效能、可靠性、成本和實(shí)體尺寸而言，作出正確的選擇（而非過(guò)低或過(guò)高地定義機(jī)組規(guī)格）具有極大的影響，雖然確保適當(dāng)?shù)妮斎爰拜敵鲱~定功率是較明確的任務(wù)之一，但其它必須考慮的屬性，尚包括瞬時(shí)效能、漣波與噪聲、EMC 兼容性以及散熱設(shè)計(jì)。