【導讀】一個(gè)電子系統的運行少不了高效、可靠電源系統的加持。將來(lái)自不同電源（如市電和電池）的能量轉換為電子電路中各種負載所需的電源軌，需要合理使用各種元器件構建起一個(gè)完整的電源架構，這也就是“電源管理”所要完成的工作。
眾所周知，根據電能轉換的需求，電源管理包括三個(gè)主要的場(chǎng)景：交流轉直流（AC-DC）、直流轉直流（DC-DC）以及直流轉交流（逆變），其中DC-DC的應用應該是尤為廣泛的。
DC-DC轉換器（或者叫穩壓器）一般由控制電路、開(kāi)關(guān)管（二極管或三極管）、電感線(xiàn)圈、電容等元器件構成，其根據反饋電路提供的信號，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)器件的“開(kāi)關(guān)”動(dòng)作將輸出電壓穩定在所需的電壓水平上，因此也被稱(chēng)為“DC-DC開(kāi)關(guān)電源”以區別于其他的穩壓電路。
采用不同的DC-DC開(kāi)關(guān)電源拓撲，可以實(shí)現降壓、升壓和升降壓三類(lèi)操作，其中尤以降壓DC-DC的應用場(chǎng)景更為豐富——凡是所需電壓低于系統中的可用電壓時(shí)，都會(huì )使用到降壓轉換器；在一些更復雜的配電架構中，還會(huì )采用多次DC-DC降壓轉換操作以達到提高效率、簡(jiǎn)化系統的目的。
今天，我們就來(lái)重點(diǎn)聊聊降壓DC-DC電源管理器件應該如何選。
不同的降壓DC-DC類(lèi)型
由于是進(jìn)行降壓轉換，因此電源設計時(shí)，降壓DC-DC經(jīng)常會(huì )被拿來(lái)與線(xiàn)性穩壓電源（LDO）進(jìn)行比較。相較而言，LDO電路簡(jiǎn)單、成本較低，同時(shí)具有負載響應快、輸出紋波小、噪聲小等特點(diǎn)；而降壓DC-DC則在高效率、支持更寬的輸入工作電壓和更大的壓降、支持更大的電流和功率、輸出電壓靈活可調等方面獨具優(yōu)勢。
因此在做具體技術(shù)選型時(shí)，需要在效率、成本、噪聲、性能等方面綜合評估，做出正確的決策。有時(shí)，也可以綜合兩者的優(yōu)點(diǎn)，在電源設計時(shí)搭配使用，比如為了提高開(kāi)關(guān)DC-DC的精度，克服其噪聲大的短板，會(huì )通過(guò)在DC-DC后端加入LDO來(lái)做優(yōu)化。
但總體來(lái)講，降壓DC-DC器件的應用更為廣泛，產(chǎn)品的類(lèi)型也更多樣化，這使得工程師在做元器件選型時(shí)要多花費心思，對不同類(lèi)型的降壓DC-DC轉化器進(jìn)行仔細地評估。
在選型之前，需要對降壓DC-DC器件的種類(lèi)有一個(gè)比較清新的認知。按照不同的維度，降壓DC-DC通?？梢员粍澐譃椴煌念?lèi)型。
電壓調制方式
降壓DC-DC按照其控制方式的差異可分為PFM（脈沖頻率調制）和PWM（脈沖寬度調制）兩種類(lèi)型。
PFM的工作原理是：保持固定的開(kāi)關(guān)脈沖寬度，通過(guò)改變脈沖輸出的頻率來(lái)調整和控制輸出電壓并使其以達到穩定狀態(tài)。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是在輕負載時(shí)具有較高的效率（由于輕負載時(shí)無(wú)需增加功率，開(kāi)關(guān)頻率變低，開(kāi)關(guān)損耗減少），而缺點(diǎn)則是變化的頻率使得通過(guò)濾波消除噪聲難以實(shí)現，容易對其他電路造成干擾。
PWM顧名思義，是指開(kāi)關(guān)脈沖的頻率一定，通過(guò)改變脈沖輸出寬度對輸出電壓進(jìn)行控制的方法，其具有更好的輸出電壓紋波和噪聲，不過(guò)由于頻率恒定，重負載時(shí)和輕負載時(shí)的開(kāi)關(guān)次數都相同，因此輕負載時(shí)開(kāi)關(guān)損耗相對較高。
也有一些電源管理器件綜合了兩種控制方式的優(yōu)點(diǎn)，在重載和穩定狀態(tài)下采用PWM方式，而輕載時(shí)則切換到PFM方式，這無(wú)疑對電源系統整體性能的提升大有裨益。具體應用中該選擇何種控制方法，要根據設計需求進(jìn)行仔細權衡。
輸出反饋方式
降壓DC-DC轉換器為了維持電壓穩定，會(huì )將輸出反饋至控制電路。按照輸出反饋的方式，可將其分為電壓模式控制、電流模式控制和遲滯控制三種類(lèi)型。
在電壓模式下，反饋環(huán)路反饋的是輸出電壓信號，這也是基本方式。其優(yōu)點(diǎn)在于控制簡(jiǎn)單、抗噪性好、導通（ON）時(shí)間短；缺點(diǎn)則是相位補償電路比較復雜。
在對電壓模式控制優(yōu)化的基礎上，誕生了電流模式控制，其設計思路是以檢測電路電感或晶體管電流的方法取代電壓信號的采集，與電壓模式相比，具有穩定性高、相位補償電路簡(jiǎn)單、負載瞬態(tài)響應快等優(yōu)勢；而其缺點(diǎn)是電流檢測較為敏感，因此設計時(shí)對于反饋環(huán)路的噪聲處理有更高的要求。
遲滯控制是針對CPU、FPGA等對高速負載瞬態(tài)響應有更高要求的電源應用而開(kāi)發(fā)的一種輸出反饋方式，其優(yōu)點(diǎn)是瞬態(tài)響應極為迅速、反饋環(huán)路的穩定性高、無(wú)須相位補償；而缺點(diǎn)則是，開(kāi)關(guān)頻率會(huì )產(chǎn)生變動(dòng)、抖動(dòng)大，以及需要ESR較大的電容器檢測紋波。
變壓整流方式
除了上面提到的電壓調制和輸出反饋方式的不同，降壓DC-DC轉換器在變壓器整流方式上還有異步整流和同步整流的區別。
異步整流，是指在電路中是通過(guò)上側晶體管的開(kāi)關(guān)，控制下側整流二極管的導通/關(guān)斷，使電流流向或不流向二極管。這種方式電路簡(jiǎn)單且比較牢靠，在工業(yè)設備等應用中廣泛采用。
同步整流與異步整流方式主要的區別在于，將異步整流架構中的下側二極管換成了晶體管，因此可以有效降低輸出端開(kāi)關(guān)的損耗，實(shí)現更高的效率，但由于需要確保上下兩側晶體管的同步性，電路會(huì )更為復雜。
可見(jiàn)，不同類(lèi)型的降壓DC-DC轉換器都有各自的優(yōu)勢和短板，充分了解這些特性，才能夠根據實(shí)際設計需求做出正確的選擇。
降壓DC-DC關(guān)鍵參數解讀
在了解了降壓DC-DC轉換器類(lèi)型之后，作為選型的重要一步，就是要對器件的各個(gè)參數進(jìn)行仔細地查閱，以確定其是否滿(mǎn)足設計規格的要求。歸納起來(lái)，以下這些參數需要我們在降壓DC-DC選型時(shí)特別關(guān)注。
1 輸入/輸出電壓
這是降壓DC-DC的基本參數，決定了其是否滿(mǎn)足電源轉換設計的要求。較寬的輸入電壓范圍以及靈活可調的輸出電壓，是一款設計優(yōu)秀的降壓DC-DC轉換器必備的特性。
2 輸出電流
降壓DC-DC持續的輸出電流能力決定了其可以提供的功率大小，也是一個(gè)重要的參數。選型時(shí)要保留足夠的余量，以避免電流過(guò)大對器件造成的損壞。
3 效率
效率是降壓DC-DC轉換器的優(yōu)勢，也是衡量其性能的一個(gè)硬指標，很多設計上的優(yōu)化最終都是服務(wù)于效率的提升。需要注意的是，選型時(shí)要同時(shí)關(guān)注輕載和重載兩種情況下的效率表現。
4 開(kāi)關(guān)頻率
較高的開(kāi)關(guān)頻率通常意味著(zhù)在電路中可以使用較小的輸出電容器和電感器等外圍元件，對于設計的小型化更為有利。不過(guò)較高頻率也會(huì )帶來(lái)更大的開(kāi)關(guān)損耗和噪聲問(wèn)題，需要仔細應對。
5 瞬態(tài)響應
該特性反應在負載劇烈變化時(shí)，系統是否能夠及時(shí)調整并確保輸出電壓的穩定。降壓DC-DC器件自身的架構及輸出電容性能（容值和ESR）都會(huì )對瞬態(tài)響應性能產(chǎn)生影響。
6 輸出紋波
這是衡量降壓DC-DC輸出電壓波動(dòng)的重要參數，也是穩壓質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵指標，一般情況下輕載紋波要更大。
7 線(xiàn)性穩定度和負載穩定度
線(xiàn)性穩定度是指輸入電壓變化時(shí)輸出電壓的穩定性，而負載穩定度則反應輸出負載變化時(shí)輸出電壓的穩定性，它們以百分比表示，數字自然是越小越好。
8 靜態(tài)電流
所謂靜態(tài)電流是指降壓DC-DC在空載時(shí)由各模擬電路子模塊產(chǎn)生的電流，它會(huì )帶來(lái)靜態(tài)損耗，因此靜態(tài)電流的降低對于效率的提升十分關(guān)鍵。能否將靜態(tài)電流降下來(lái)，也是電源管理IC廠(chǎng)商設計和工藝水平的試金石。
9 保護功能
在設計中集成OCP過(guò)流保護、OTP過(guò)熱保護等功能，是確保降壓DC-DC可靠穩定工作的重要一環(huán)，這些保護功能通常由特定的外部條件觸發(fā)，并在條件消失時(shí)能自恢復。
10 EMI抑制
開(kāi)關(guān)控制的工作模式?jīng)Q定了降壓DC-DC會(huì )產(chǎn)生更多的噪聲，因此在一些噪聲敏感型的應用中，必須要考慮加入有效抑制EMI的措施。
理解了上述這些參數，也就掌握了降壓DC-DC器件選型的關(guān)鍵要領(lǐng)。以此為據，將器件的特性與設計需求進(jìn)行比照，應該就能很快鎖定想要的那顆料。
打造理想的降壓DC-DC器件
經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，降壓DC-DC轉換器IC的技術(shù)已經(jīng)十分成熟，在系統架構、控制方式等大方向上保持穩定的基礎上，相關(guān)電源管理芯片廠(chǎng)商的角力主要集中在對器件的“精雕細琢”上，特別是要針對特定應用，平衡各個(gè)方面的性能表現，以打造出理想的降壓DC-DC解決方案。
Analog Devices（ADI）公司的MAX25255同步降壓轉換器就是按照這樣的目標而打造的同步降壓轉換器。這是一款雙路降壓轉換器，集成了高側和低側開(kāi)關(guān)，每通道可提供高達8A電流，支持3V至36V很寬的輸入電壓范圍，輸出電壓則在0.8V至14V間可編程調整。
圖1：MAX25255同步降壓轉換器
（圖源：ADI）
MAX25255提供5V和3.3V兩種固定輸出電壓，四種固定頻率選項（200kHz、400kHz、1MHz或2MHz），使其可使用小型外部元件，減少輸出紋波，并保證無(wú)AM干擾。如果啟用擴頻功能，還可以獲得更佳的EMI性能。
該器件在輕負載下可進(jìn)入跳躍模式（Skip Mode），空載時(shí)具有12μA的超低靜態(tài)電流，因此能夠提供十分出色的功耗和效率表現。
MAX25255中的兩個(gè)降壓轉換器可以配置為雙相操作，這時(shí)輸出負載能力高達16A。此外，該器件還可以并聯(lián)使用，以支持高達32A輸出電流的四相操作，這提供了很好的設計可擴展性。
該降壓轉換器可通過(guò)觀(guān)察PGOOD信號監控電壓質(zhì)量，還具有診斷和冗余電路、裸片溫度監控器、精密欠壓和過(guò)壓保護功能，并且符合ASIL B要求，這使其成為了汽車(chē)和工業(yè)應用的理想選擇。
圖2：MAX25255同步降壓轉換器系統框圖
（圖源：ADI）
ADI另一款值得推薦的DC-DC轉換器產(chǎn)品是MAX25262 / MAX25263汽車(chē)級微型降壓轉換器。其同樣是具有很高的集成度，分別提供高達2A / 3A的輸出電流，支持3.5V至65V的寬輸入電壓范圍，空載時(shí)的靜態(tài)電流更是低至3.5μA，且具備一系列可靠的保護功能。特別值得一提的是，該器件采用小型化的封裝，更適合于空間有限的應用。
圖3：MAX25262/MAX25263汽車(chē)級微型降壓轉換器
（圖源：ADI）
MAX25262 / MAX25263提供兩個(gè)5V和3.3V固定輸出電壓，使用外部電阻分壓器可配置為1V至20V輸出電壓。其具有快至20ns的導通時(shí)間，可在單級中實(shí)現大幅度的降壓轉換，沒(méi)有跳躍周期。其占空比可達98%，高側FET導通電阻低，因此可在低輸入電壓應用中實(shí)現低壓差運行。
2.1MHz的固定開(kāi)關(guān)頻率，使得該降壓轉換器可支持小型外部元件、減少輸出紋波并保證無(wú)AM干擾；而400KHz選項則可提供更低的開(kāi)關(guān)損耗和高效率。該器件在輕負載時(shí)也是可以進(jìn)入跳躍模式，以便在FSYNC拉低時(shí)實(shí)現較高的輕負載效率。同時(shí)，該轉換器還可提供引腳可選PWM模式，用于EMI關(guān)鍵型應用，并也可提供擴頻選型。
可見(jiàn)，MAX25262 / MAX25263通過(guò)整合多種技術(shù)，應對不同應用場(chǎng)景下的設計需求，也使得器件的綜合性能得以提升。由于符合AEC-Q100標準，該降壓轉換器成為了很多汽車(chē)電源管理應用的不二之選。
圖4：MAX25262 / MAX25263汽車(chē)級微型降壓轉換器框圖（圖源：ADI）
追求更高的集成度
除了追求綜合性能上的穩步提升，降壓DC-DC轉換器的另一個(gè)技術(shù)演進(jìn)維度就是不斷提升器件的集成度，追求設計的輕量化和小型化。這也就催生了降壓DC-DC模塊。
這類(lèi)電源模塊通常采用SiP的方式，將DC-DC控制器、功率晶體管、輸入和輸出電容、補償組件以及電感等磁性元件，集成在一個(gè)小型化的封裝內，可進(jìn)一步壓縮系統設計的尺寸。由于模塊產(chǎn)品性能經(jīng)過(guò)了精密的調校、嚴格的測試和驗證，因此能夠大大簡(jiǎn)化整個(gè)電源系統的設計，并滿(mǎn)足高可靠性的設計要求。
ADI公司的μModule穩壓器系列就是這樣的高集成度電源模塊解決方案，能夠在滿(mǎn)足開(kāi)發(fā)時(shí)間和設計空間限制的同時(shí)，提供高效率、高可靠性。
圖5：高集成度的μModule穩壓器架構示意圖
（圖源：ADI）
圖6：μModule穩壓器模塊與其他DC-DC轉換器架構的比較（圖源：ADI）
在μModule穩壓器系列中，LTM4652是一款很出色的降壓DC-DC電源模塊。其具有拉/灌雙路±25A或單路±50A輸出開(kāi)關(guān)模式，以及±1.5%總直流輸出誤差。該穩壓器模塊的輸入電壓范圍為4.5V至18V，支持兩路輸出，每個(gè)輸出可支持高達±25A連續電流，輸出電壓范圍為0.6V至7.5V，均由單個(gè)外部電阻器設置。
圖7：LTM4652 μModule穩壓器
（圖源：ADI）
LTM4652穩壓器具有輸入/輸出過(guò)壓和雙向過(guò)流保護等故障保護功能?？烧{控制環(huán)路補償使其能夠實(shí)現快速瞬態(tài)響應，以便在為FPGA、ASIC和處理器供電時(shí)將輸出電容降至最小。
由于在16mm x 16 mm x 4.92mm的緊湊BGA封裝中集成了開(kāi)關(guān)控制器、功率MOSFET、電感器和所有支持元件，因此LTM4652僅需少量輸入和輸出電容器，即可完成電源系統的設計，這種“拿來(lái)即用”的開(kāi)發(fā)體驗頗受電源工程師的青睞。
圖8：LTM4652 μModule穩壓器應用框圖
（圖源：ADI）
本文小結
憑借著(zhù)效率高、輸入電壓范圍寬、輸出電流/功率大、輸出電壓靈活可調等方面的優(yōu)勢，降壓DC-DC應用極為廣泛，可以說(shuō)是無(wú)處不在。同時(shí)，技術(shù)的進(jìn)步也在推動(dòng)降壓DC-DC在集成度和綜合性能方面不斷提升，持續補齊在設計復雜性、噪聲干擾等方面的短板。
作為這些努力的“結晶”，市場(chǎng)上的降壓DC-DC轉換器IC和模塊產(chǎn)品也在不斷迭代更新，創(chuàng )新的解決方案也是層出不窮。本文中介紹的幾款ADI降壓DC-DC器件就是其中的代表作，它們的出現也讓電源系統的開(kāi)發(fā)體驗煥然一新。以這些器件為藍本，去選擇理想的降壓DC-DC轉換器產(chǎn)品，準沒(méi)錯！
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