电源模块与分立式稳压器的优缺点比较

  下面的示意图给出了一个简单的非隔离式直流/直流开关稳压器的基本构建模块。脉冲宽度调制(PWM)控制、电流开关以及储存能量的电感和电容都是必需配置。右侧的模块化稳压器将电流开关连同电感都进行了集成,但在分立式设计中它们则是独立的实体。由于储能电容中的能量值往往远远超过1F,所以较少集成在单独的器件中。

  购置成本是材料清单费用、设计师的劳务费、测试和潜在重新设计所需的劳务费、制造/装配费,以及因电源设计不当而造成的质量问题所产生的潜在费用的总和。

  设计中,可以有部分电路的集成。例如,香港马会开奖搅珠现场,有些稳压器内置了场效应晶体管(FET)开关,因此无需选择FET或考虑栅极驱动因素。控制器集成电路选择的灵活性最大,但是这需要有更高级别的设计能力。假如设计者已经决定要使用非模块化的解决方案,那么他们还需要深入研究如何理想地将分立器件嵌入到设计中。幸运的是,有一些强大的设计工具,例如美国国家半导体的 Webench可以协助电源设计新手进行分立式电源设计。

  集成模块确实需要相应的设计工作量,设计者至少要评估所要设计的电源规格,其中包括评估输入/输出电压、电流、允许的温升、噪声、安全性和辐射情况以及其他可能要注意的细节。即使是最简单的模块化设计方案也须进行精密的规划。

  电路的性能由多方面的因素和实际应用决定,对于射频电路的供电系统来说,输出端的噪声可能是最需考虑的因素;但对于助听器来说,温升和电路的尺寸则可能是它的决定性标准。

  不可能只通过测量分析所有电压和电流值来判断两种方法的优劣,下面则通过一组共同的参数来分别展示模块化设计与分立式控制器集成电路设计的利弊,两种方法的设计规格应是相同的:

  为了确定这两种方法哪种更为简便,我们使用美国国家半导体的Webench设计工具,以LM3152 3.3V控制器和LMZ14203

  为基础进行电路设计。Webench提供了大量便捷的设计工具,这些工具过于丰富,以至于对其的介绍会大大超出本文的讨论范围,因此,我们讨论的重点将集中于原理图、材料清单的成本计算、印刷电路板元件的焊垫面积、输出噪声分析、效率与热仿真等几个方面。

  图 1示意了使用LM31523.3V控制器的分立式设计。使用Webench完成这个设计,大概需要30分钟。设计中改进了少量部件以节约成本,并进行了一些设计仿真用于验证功能的正常运行。假如没有计算机辅助设计(CAD)程序的协助,该设计可能要花几个小时甚至一天的时间才能完成电路计算和器件搜索的工作。

  通过对比两种设计的材料清单(BOM)成本,可以发现分立式设计具有一定的优势。

  值得注意的是,电源模块的标价是以500件为单位,而控制器的标价则以1000件为单位。表格中所显示的所有费用均基于Webench,是已经公示的目录价格,器件通常以1000件为单位或者以卷带形式供货。

  下面的图5显示的是目前设计示例的评估板。开关稳压器的布局艺术在于缩减大电流、高频率节点的长度和面积,同时妥善地处理返回电流路径。任何PCB CAD操作员都可以组装“工作中”的供电电源。为了确保供电电源的强健性,并尽可能降低工作期间发出的噪声,需要对电路操作有一定程度的了解并仔细规划。显而易见,模块化设计更不容易出现布局错误。

  有些模块化设计在PCB布局上还有个优势:能够在裸片下对顶层铜薄层进行不间断布线。为了尽可能保持结温,必须确保裸片与顶层铜薄层之间实现最佳热传导性能。对于美国国家半导体LMZ系列的电源模块而言,其大规模裸露焊盘上的地电位与其他信号引脚在空间上是分离的。图5中的评估板显示可以轻松为模块下的裸露焊盘提供不间断的顶层铜薄层。

  Webench中规定PCB板上元件的“占位面积”单位为mm2,它包括了为每个边缘预留的1mm间隔,作为间隙。下面的表格列出了元件的总占位面积,并增加了额外的50%封装系数,包括了走线和开放空间。所有的尺寸均基于单面印刷版。

  Webench的热仿真输出基于如下的运行环境:Vin 24V,Vout 3.3V,输出电流3A,环境温度55℃,无风扇,1.5盎司双边铜丝。热布局图给出了一种通用的布局方式,不代表可能的最大封装密度。

  从效率图和热量分布图可以清楚地看出:相较于模块化设计而言,分立式设计具有更高的效率,工作时的热耗散更少。当然,这仅仅只是一个工作点。

  分立式设计的一个优点在于其能够依据规定的工作电源和输出电流来优化场效应管的选择。同时还需注意这些仿线℃的环境中进行的。当Tj达到最大值125℃时,模块化设计仍然保留了37℃的安全缓冲区。

  尽管有很多方法可以来量化由开关电源产生的噪声,但这里我们仅仅讨论两种设计的输出电压噪声的

  情况。另外,认为一种方法总是比另一种方法更嘈杂是错误的。诸如电感的大小、输入电压、开关频率和电容阻抗等因素在产生输出电压纹波时均发挥主导作用。

  模块化设计的一个优势在于:连接稳压器元件的电路走线可以远少于分立式设计。LMZ系列的集成模块使用一个隔离电感器和三维硅堆栈最小化走线长度和电感值,输出电压范围见图8所示。

  对于这两种方法的输出而言,可以通过降低总电容阻抗进一步降低电压纹波,这种方法可以通过购买一个更加昂贵的电容或者增加并联电容来实现,其不同点在于:分立式设计中出现的极高频率的噪声“尖峰”数量。所有走线元件的额外寄生电感和电容都会引起了输出端的高频尖峰,这种传导和辐射噪声也会导致其无法通过噪声发射测试。

  工作电源设计中出现的电路故障可归结为以下三点:最初的装配错误、缺乏对滥用的限制(如超载输出、过高的输入电压等)以及因器件寿命缩短而导致的故障。分立式设计和模块化设计都会受到这三点的影响。但是通常情况下,模块化设计包含一套更精细的保护机制,因为整个电路是由设计者“规划”的,而模块制造商将对电路采用一套比最终用户的典型电源工作条件更为苛刻的测试环境。

  装配错误、不正确的元件、未填满的元件以及焊接不良的可能性方面也具有很大的优势。所有需要安装到印刷电路板上的模块在售出前均已通过了检测。

  我们将结合之前的设计示例总结分立式与模块化稳压器的优缺点。一般情况下,这张“记分卡”适用于各类直流/直流稳压器实际应用,不过也会出现例外,特别是当设计标准偏离了普通的电压及电流范围时。