采用“微型模块”重新定义DC-DC转换器的设计

DC-DC转换器需要在各种功率和复杂条件下工作。在一些较低的功率水平上，可以采用自己设计和“自己制造”的策略，但是对于更高功率，预先组装的模块会变得具有更高的性价比。目前新的“微型模块”已经开始转向服务更低的功率水平。

大多数电子设备都会采用DC-DC转换。它可能是在AC - DC转换器中的整流之后，或者在没有隔离的情况下只是将5V降至3.3V。凭借教科书和元器件供应商提供的参考设计和交互式计算器工具，能够对“自己动手”设计提供相当多的支持。公平地说，想出一种满足简单、低功率要求的“相当好”的解决方案并不难，并且您可能会自己确信，对于实现这些简单功能，所花费的设计时间、资格认证、组件采购和组装成本等都非常值得。

增大的功率意味着更高的复杂性

随着功率水平的提高，一切都变得更加困难，而且由于功率增大，其他参数也开始变得至关重要。在5W时，75%的“不错”效率只代表了很小的损耗。但是在50W时，75%的效率与同类领先的超过95%的效率之间的差异会非常大，其结果可能是，一个系统运行时会遇到尴尬的散热问题，另一个则相对于冷却运行，一个需要散热器，而另一个则不需要。随着功率的增大，电磁干扰(EMI)等其他参数开始出现问题。例如，随着电流的增大，良好的动态负载阶跃(load-step)性能对于处理器和ASIC/FPGA而言变得非常重要。对于这些部件，必须严格控制负载阶跃时的电压过冲和欠压。此外，对于更高功率的应用，需要进行控制、监测和保护，DC-DC自然会在其中执行更为关键的任务。

如果需要进行隔离，则会涉及磁性元件的使用，情况会变得更加复杂。磁学方面的优化很少能够从教科书中的理论得到，而仿真和设计经验在其中更为重要。在安全机构的隔离要求得到满足之后，还必须考虑另一个全球性兼容标准的问题。

假设你是一个具备所有这些领域技能的天才工程师，但是PCB布局人员必须在剩余的有限空间中配置你的分立型设计。而且，采购人员必须以低成本找到你所需要的定制磁性元件，同时还不能需要特殊的装配技术。这是一个相当大的问题，需要大量的权衡和妥协。

是自己设计还是购买

我们已经提出了关于“自己设计还是购买”的熟见的争论，当然，这些并不总是可以一刀切。最终的生产批量或许能够证明对分立型设计的投资是合理的，因为可以尽可能降低BOM成本，但上市时间会受到影响。相对于少量(一、两美分)的BOM成本节省，提前两个月将产品推向市场的价值会是什么?分立型设计中涉及的风险和不确定性对财务的影响是什么?因此，自己设计还是购买会是一个复杂的决定，而不是一个单纯静态的问题。即使你通过进行简单的分析，显示出用模块和分立部件在不同生产批量下对于设计成本回报的影响(图1)，也仍存在无法量化的因素，例如更快的上市时间。

图1：投资回报的分析示例。

许多控制IC可用于开关，线性设计可使设计人员的工作在某种程度上更轻松一些，每天都会出现具有更多具有改进功能的新部件。关于这些IC的参考设计对于某个解决方案可能是一个很好的起点，但是如果要考虑使用它们，则必须转化成相应的目标产品，并达到相同的电气EMI和安全性能。

传统上，在电流低于2A的情况下，可能会优先选择分立型解决方案 。高于10A时，购买现成的模块可能会带来一些好处，如SIP安装以节省电路板空间。在2A和10A之间，可能不太明确哪一种是最佳解决方案。在模块的机械形式方面，在这些电流水平上通常采用的通孔可能看起来很笨重，很难安装，并且相当不灵活。

μModules是另一种选择

还有另一种可供选择的方案需要考虑，即来自凌力尔特公司(Linear Technology Corporation，LTC)的μModule®器件，凌力尔特现在是ADI公司的一部分，这种器件正在弥补分立元件和全模块解决方案之间的差距。这些被称为“单封装电源系统”的部件在隔离和非隔离版本中都集成有转换器的磁性元件，同时整个模块可作为一个SMT组件进行组装。μModule的出现满足了低功率和高功率之间的设计需求，并可在更大的电流范围内采用μModule，而只在更小的功率下采用分立方案才具有吸引力。

图2：μModule DC/DC稳压器用一个简单的微型易安装模块可以取代包含主动和被动分立元件的复杂PCB。 (来源：LTC)

μModules引人注目的一部分优势是其能够明确地证明所采用的技术具有在分立型设计中无法实现的优势(图3)。专有的LTC硅芯片与磁性元件、功率MOSFET和被动元件集成在一个尺寸小至6.25 x 6.25mm的封装内，可用于3A降压型稳压器，器件高度可减小到1.82mm。例如，这种超薄封装允许将部件设计在PCB的背面或处理器表面散热器之下。

图3：典型的μModule结构。(来源：LTC)

该功率范围的模块拥有超过100种不同的变体，分为15个产品系列，包括升压和降压转换器、可配置升压/降压、逆变型、电池充电器、LED驱动器和数字电源管理等类型。具有隔离功能的部件可提供725VDC额定电压和经过认可的2kVAC。

LTM8045 μModule

我们这里来看其中一个器件的应用案例。LTM8045(图4)可以配置为“降压 - 升压”转换器，具有一个比输入更高或更低的负输出，该器件或可作为SEPIC(单端初级电感转换器)，其输出可以比输入更低或更高，但极性为正。该器件的输入电压范围是2.8～18V，输出可在2.5V～15V之间进行编程，电压为2.5V时的最大额定电流为700mA。开关频率可设置在200kHz和2MHz之间，可通过外部控制实现同步。峰值效率高达80%以上，具体取决于配置。器件集成了软启动、欠压锁定和使能(enable)等功能，所有这些都集成在一个11.25 x 6.25 x 4.92mm 的BGA封装内。若要构成一个完整的解决方案，只需一个小的输入和输出电容，以及可选的功能设置电阻。

图4：LTM8045 μModule。(来源：LTC)

该范围内不同组合器件的特征总结如下：

·用于安全和功能隔离应用的非隔离式和机构额定值隔离部件

·超低噪声，符合严格的EN55022 Class B EMI要求

·无缝降压 - 升压转换，尤其是输入电压范围可高于和低于输出电压，例如电池供电应用

·单个μModule具有多个输出(2、3、4或5个)，可以采用并联方式来增大电流，同时保持单个器件的开关

·数字输入/输出(I/O)接口，通过串行总线可以由稳压器或者对稳压器进行“读取”和“写入”设置，用于密切监控和控制

·远程感测可以抵消大电流应用中稳压器输出和负载之间电阻降低的影响

·可以进行几个μModule稳压器的串联(或并联)，以实现更高功率，并向负载均匀分配电流

·将正电压转换为负输出的逆变稳压器

·可调节补偿能够改变μModule环路响应，以实现设定的输出和瞬态响应、补偿负载行为和输出电容类型

·超薄封装，因而稳压器可以安装在空间受限的电路板底部，或安装在FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)及其顶部的散热器/冷却板之间

每个μModule变体都附带有相关的演示板、用户手册、布局指南和其他的综合性文档。器件和完整设计的仿真模型能够采用行业标准LTspice®格式提供。

总之，μModule器件会促使设计师重新评估自己设计或购买的决定。 这些部件具有多种功能选择，完全符合质量要求，并已经达到机构认证所需的高级别性能指标。所有关键的设计参数都具有非常明确的优势：性能、尺寸、成本以及最终产品上市时间的缩短。一个额外的好处是，可调节补偿和数字控制/监控等功能可以为终端应用增添更多价值。