何时使用单路与双路 DCDC 降压稳压器经验

1.前言

许多应用需要多个电源电路，我们需要使用双输出稳压器来减少集成电路 (IC) 的数量。

图 1：输入电流和纹波与同相开关（红色）和异相开关（蓝色）

在单输出稳压器和双输出稳压器之间进行选择时需要进行权衡。在本文中，我将以德州仪器 (TI) 的单路 6A TPS543620 输出 DC/DC 稳压器和双路 6A TPS541620 输出 DC/DC 稳压器为例，讨论两者的优点并重点介绍何时使用其中之一。

2.何时使用双输出稳压器

在多种应用中，双输出稳压器比单输出稳压器更具优势。当我们的设计需要最小的解决方案尺寸时，我们可能会考虑使用双输出稳压器，例如在固态驱动器中。当负载点（例如数据转换器或处理单元）具有多个并置的电源轨时，我们还可以选择双输出稳压器，从而使我们能够将稳压器放置在它正在供电的设备旁边，并且布线最少。最后，双输出稳压器可以通过将两个输出并联在一起来为需要两倍电流的电源轨供电，从而提供更高的灵活性。

双输出稳压器还有助于缩小解决方案尺寸。即使双输出稳压器的封装尺寸是单输出稳压器的两倍，元件间隙要求也需要两个单输出稳压器的更大面积。例如，如果设计规则要求 IC 周围留有 1 毫米的间隙，则 5 毫米 x 3 毫米双输出稳压器将占用 24 毫米2，而两个 2.5 毫米 x 3 毫米单输出稳压器将占用占用 28 毫米2。那些设计需要更多间隙的人将看到双输出稳压器的额外好处。

双输出稳压器最小化解决方案尺寸的另一种方法是减少所需的输入电容。当典型的单输出降压转换器的高边 MOSFET 导通时，会从输入拉出浪涌电流。使用双输出稳压器时，两个输出的开关相位相差 180 度，因此这种输入电流浪涌发生在不同的时间。这也可以通过两个支持与外部时钟同步的单输出稳压器来实现，例如 TPS543620。但是，将两个 TPS543620 同步到 180 度异相时钟确实需要另一个外部电路来生成异相时钟。

图 1 中简单仿真的结果表明，对于 1V 和 1.8V 输出（均具有 6A 负载），同相切换带来的改进。仿真参数包括 1MHz 开关频率、12V 输入、1μH 电感器和 10μF 输入电容器，每个输入端具有 3mΩ 等效串联电阻。使用同相开关（以红色显示）时，通过高边 MOSFET 的峰值输入电流略高于 12 A，均方根 (RMS) 电流为 3.8 A，并且 MOSFET 上的峰峰值纹波输入为 73 mV。使用异相开关（以蓝色显示）时，峰值输入电流降至 6 A 以上，RMS 电流为 2.9 A，输入上的峰峰值纹波为 46 mV。在本例中，异相开关将输入轨上的输入纹波降低了 1.6 倍。

作为对潜在空间节省的估计，两个 0805 10-µF 电容器将有助于在每个输入上实现接近 10 µF 的有效输入电容和 12-V 输入。对于两个单输出稳压器同相切换，我们需要在每个输入上使用三个 0805 10-µF 电容器以获得大致相同的输入纹波。假设每个电容器之间需要 0.5 mm 的间隙，双输出稳压器的输入电容器的面积为 17.5 mm 2，而两个单输出稳压器的面积为 26.25 mm 2。

图 2 显示了仅稳压器和输入电容器的简化布局，用于比较双稳压器和两个单稳压器的尺寸。双稳压器可节省 30 mm 2的面积。

图 2：单稳压器和双稳压器之间的尺寸比较，仅包括输入电容

双输出稳压器在为需要多个电源轨的单负载设备供电时也很有优势，如图 3 所示。我们可以将双输出稳压器放置在它正在供电的设备旁边，布线最少。

图 3：双稳压器为单个负载上的两个电源轨供电

最后，双输出稳压器可以通过将两个输出并联在一起来为需要两倍电流的电源轨供电，从而提供额外的设计灵活性。如果我们使用的是单输出稳压器，则需要一个额外的稳压器来提供更高的电流轨。将双输出稳压器的两个输出并联以为更高电流轨供电有助于最大限度地减少物料清单中独特组件的数量。与单个 12A 稳压器相比，输出并联的双输出稳压器可以具有更低的稳态输出纹波。通过并联输出，双输出稳压器可以使用两个 6A 1µH 电感器，其输出纹波是具有单个 12A 470nH 电感器的单输出稳压器的一半，同时实现相同的瞬态响应性能。

或者，使用双输出稳压器时，两个低电流 470nH 片式电感器（尺寸为 2.5 mm x 2.0 mm x 1.2 mm）将降低成本并实现更低高度的解决方案。要获得具有相似效率的近似等效直流电阻 (DCR)，单个更高电流的 470nH 电感器必须为 4.0 mm x 4.0 mm,高度为 2.1 毫米或 3.1 毫米。大电流电感器的 DCR 为 8 mΩ，而每个小电流电感器的 DCR 为 17 mΩ。

图 4 显示了单个高电流电感器和两个低电流电感器之间的尺寸差异。这些尺寸来自其数据表中电感器的最大指定尺寸。大电流电感器的占位面积为 18.5 mm 2；两个低电流电感器的占地面积为 14 mm 2，并且高度有所降低。

图 4：两个 6A 电感器和单个 12A 电感器之间的尺寸比较

3.何时使用单输出稳压器

当稳压器必须在高环境温度下工作时，例如在有源天线系统中，单输出稳压器比双输出稳压器更具优势。

对于环境温度较高的应用，两个单输出稳压器比一个更好，因为它们可以将功耗分散到两个 IC 上，而双输出稳压器将功耗集中到单个 IC 上。在各自的评估模块布局中，单输出稳压器的 R θJA为 29°C/W，而双输出稳压器的 R θJA为 27°C/W。假设 IC 在应用中仅升温 40°C，每个输出稳压器可以处理每个输出的估计功耗为 1.38 W。

另一方面，双输出稳压器将被限制为 1.48 W – 或每个输出仅 0.74 W。双输出稳压器中这种较低的最大功耗以将温升保持在 40°C 以下，可以限制稳压器在高环境温度应用中可以支持的最大电流。双输出稳压器的功耗可以通过在较低的开关频率下工作来降低。然而，较低的开关频率增加了解决方案尺寸，从而消除了双输出稳压器的主要优势——较小的解决方案尺寸。

此外，考虑到在一个 IC 中放置两个稳压器时需要在引脚排列中进行权衡，双输出稳压器的引脚排列最终可能不如单输出稳压器优化。因此，双输出稳压器可能需要更慢地开启和关闭功率 MOSFET，以将电压应力保持在器件额定值内。然后，双输出稳压器比单输出稳压器具有更多的开关损耗，从而导致更大的热性能差异。单输出稳压器可以具有更优化的引脚排列，以使功率 MOSFET 能够更快地开启和关闭。

TPS543620 封装两侧的 VIN 和 GND 引脚使我们能够在功率级的每一侧放置一个旁路电容器，从而最大限度地减少印刷电路板 (PCB) 寄生电感。最小化 PCB 寄生电感可以最小化开关节点振铃。TPS543620 还具有一个较大的 SW 引脚，允许在 PCB 布局上使用更宽的开关节点走线，从而最大限度地降低 PCB 寄生电阻。

通过提供更多布局优化选项，在 PCB 布局方面，单个输出稳压器也更易于使用。首先，单输出稳压器可以灵活地放置每个稳压器，如图 5 所示。当被供电的设备分布在 PCB 周围时，这是有利的。对于双输出稳压器，我们可能需要在布局上进行权衡，这会导致稳压器与其供电的设备之间的布线距离过长。此外，使用两个单稳压器有助于以更多方式定位两个输出，当电路板面积有限时，这可以使布局更容易优化。使用双输出稳压器时，器件放置的灵活性较低。

图 5：两个单输出稳压器，每个为两个负载供电

表 1 总结了在单输出和双输出稳压器之间进行选择时要记住的注意事项。

4.结论

在单输出稳压器和双输出稳压器之间进行选择时，没有简单的答案。这两种类型的设备各有优势，但最佳选择取决于对我们的应用最重要的是什么。双输出稳压器通过减小解决方案尺寸解决了电路板空间有限的问题。双输出稳压器还可以通过减少物料清单中的组件数量来提供更简单的设计。在高环境温度下工作时，单个输出稳压器可以更轻松地解决问题，因为它会在较低的结温下工作，从而实现更高的输出电流。单输出稳压器还可以简化设计，因为它提供了更大的灵活性。