發布日期：2022-10-09 點擊率：158
開關式 DC-DC 穩壓器為電源帶來高效率。雖然市面上有各種優質的單片穩壓器可供選擇，但每款產品的設計都是為了滿足不同應用的需求，而不符合工程師個人的獨特設計規格。或者說，針對特定應用優化電源需要耗時且昂貴的設計迭代。
設計人員需要一個與電源供應商交互的 Web 界面，讓他們能夠使用所需的性能參數來配置電源設計，然后在敲定設計后，供應商再批量供貨。
本文介紹了使用可配置電源模塊完成此類設計流程的情況。具體來說，本文將介紹如何利用 MPS 評估套件 (EK) 和基于 Web 的軟件來加速簡單或高級 DC-DC 轉換器設計的設計過程。
要從頭開始設計一款降壓開關穩壓器完全沒問題，而且使用相對較少的元器件。例如，基本設計包括一個晶體管（本質上用作開關）、一個二極管、一個電感器、一個跨輸出端的電容和另一個跨輸入端的電容。然而，對于實際解決方案，可能還需要其他一些元器件，包括電壓基準、誤差放大器、比較器、振蕩器和開關驅動器。但很少有工程師選擇采用分立元器件的設計路線，因為市面上有大量高度集成的單片 DC-DC 穩壓器可供選擇，它們經過驗證且價格低廉。
根據輸入輸出電壓、最大負載電流和最大電壓紋波等規格要求，以及對高級設計產生作用的效率、瞬態響應和頻率響應等因素，選擇一款成熟供應商的穩壓器往往比較容易。雖然芯片制造商確實提供了一系列令人印象深刻的解決方案，可以滿足大部分規格的要求，但無法提供完美符合每一種可能情況的器件。設計人員還有一些工作要做。
工作量取決于單片解決方案的集成程度，但低電流（10 A 以下）設計通常的著手點是集成了脈沖寬度調制 (PWM) 控制器、開關元件（MOSFET 功率晶體管）和旁路二極管的芯片，讓設計人員指定輸入和輸出濾波電路所需的外部電感器、旁路電容器和其他無源元件。
雖然制造商和其他來源（包括下面的推薦閱讀清單）提供了許多關于如何基于單片穩壓器設計電源的信息，但這仍然是一個棘手而繁瑣的過程，會涉及計算，然后是數個周期的硬件原型開發，用以了解理論電路的實際表現，隨后進行調整以精確滿足規格要求。
MPS 提供的可配置電源模塊，為這種耗時的電源設計過程提供了另一條途徑。
MPS mEZDPD3603A 可配置電源模塊的核心是一個高頻、同步、整流、降壓轉換器，帶有 I2C 控制接口和多頁一次性可編程 (OTP) ROM 存儲器，具備 3 A 連續輸出電流能力。該轉換器集成了高壓側和低壓側功率 MOSFET、補償網絡和反饋分壓器。輸出電壓電平、電壓壓擺率、開關頻率、使能和省電模式均可通過 I2C 接口編程，使設計人員能夠針對特定設計優化每個輸出。
電流模式運行具有快速、瞬態響應能力，能輕松實現環路穩定。全保護功能包括欠壓鎖定 (UVLO)、過壓保護 (OVP)、過流保護 (OCP) 和過熱保護 (OTP)。
mEZDPD3603A 模塊將工作設計所需的幾乎所有外圍元器件都加入到此降壓轉換器中（圖 1）。
圖 1：MPS mEZDPD3603A 模塊內部原理圖。設計人員只需要指定輸入 (CIN) 和輸出 (COUT) 電容器的值。（圖片來源：MPS）
設計人員只需增加輸入 (CIN) 和輸出 (COUT) 電容器，即可完成一款全功能 DC-DC 降壓穩壓器電源的設計。從頭設計時，計算這些電容器的值并不簡單，并且受輸出電壓、負載、占空比和電壓紋波的影響（請參見 Digi-Key 技術文章“電容器選擇是良好穩壓器設計的關鍵”）。但如果使用 MPS 模塊，制造商已經為設計人員計算好數值。最終選擇僅受輸出電壓影響（圖 2 和表 1）。
圖 2: 在 MPS mEZDPD3603A 典型應用電路中，R2 用于設置 I2C 地址，以允許識別系統中的多個模塊。（圖片來源：MPS）
| VOUT (V)CINCOUT<3.34.7 μF22 μF5 版規定的 10% 負載效率4.7 μF22 μF x 21210 μF22 μF x 2 |
表 1：不同輸出電壓下，圖 2 所示應用電路的推薦電容值。（圖片來源：MPS）
如果要在嚴格電磁干擾 (EMI) 法規所涵蓋的產品中使用電源，可以用由三個電容器和一個電感器組成的 L-C 濾波電路代替輸入電容器。（有關輸入和輸出濾波電路設計的更多信息，請參見 Digi-Key 技術文章“使用低 EMI 開關穩壓器優化高效率電源設計”。）這些元器件的值仍取決于輸出電壓，而制造商再一次給出了答案。（圖 3 和表 2）
圖 3: 帶 EMI 濾波功能以符合 EN55022 B 類標準的 MPS mEZDPD3603A 應用電路。（圖片來源：MPS）
| VOUT (V)低C1C2C3COUT<3.34.7 μH10 μF10 μF不適用22 μF5 版規定的 10% 負載效率4.7 μH10 μF10 μF不適用22 μF x 2124.7 μH10 μF10 μF100 μF E-cap22 μF x 2 |
表 2：不同輸出電壓下，上述應用電路的推薦元器件值。（圖片來源：MPS）
該模塊提供 4.5 至 36 V 的輸入電壓范圍和 0.6 至 12 V 的輸出。電壓精度為 ±1%，線路和負載調整率（VIN = 24 V，VOUT = 5）為 ±1%。最大電流高達 3 A，輸出電壓紋波（VIN = 24 V，VOUT = 5 V，滿載）為 30 毫伏 (mV)。表 3 總結了該模塊的性能和效率數據，圖 4 顯示了不同效率和負載電流值的 VOUT。
| 參數條件數值輸入電壓4.5 V 至 36 V輸出電壓VIN = 4.5 V 至 36 V，單輸出，IOUT = 0 A 至 3 A0.6 V 至 12 V輸出電流VIN = 4.5 V 至 36 V，單輸出，VOUT = 6 V 至 12 V0 A 至 3 A典型效率VIN = 12 V，VOUT = 5 V，IOUT = 3 A90%峰值效率VIN = 24 V，VOUT = 12 V，滿載，Fsw = 800 kHz93.2默認開關頻率典型開關頻率500 kHz |
表 3：MPS mEZDPD3603A 性能參數。（圖片來源：MPS）
圖 4：MPS mEZDPD3603A 在 VIN = 24 V 及 VOUT = 3.3、5 和 12 V 時的效率數據。（圖片來源：MPS）
由于 MPS 模塊包含數字邏輯電路，因此可以通過更改軟件參數來修改其工作性能。參數訪問通過模塊的 I2C 接口來實現，從該接口可以查詢和更改器件 RAM 中的設置。達到所需的最佳設置后，OTP ROM 存儲器可以永久存儲這些設置。
MPS 提供了硬件和軟件工具來支持采用該可配置電源模塊的設計。主要工具是 PKT-MEZDPD3603A 硬件 EK。該 EK 的尺寸為 64 × 64 毫米 (mm)，包括輸入和輸出電容器（如果需要，還可選配 EMI 濾波器），以及一個用于插入可配置電源模塊的連接器。連接模塊后，需要為 EK 連接適當的負載和提供所需輸入電壓（4.5 至 36 V）的電源（圖 5）。
圖 5：可配置電源模塊評估套件包括模塊插口，且需要外部電源和負載。（圖片來源：MPS）
該 EK 還需要連接到 PC，以便從 MPS 的 Virtual Bench V3.0 軟件進行配置。為此，該公司提供一個 USB（PC 端）轉 I2C （EK 端）適配器。USB 電纜將適配器連接到 PC，另一側則使用 10 針帶狀電纜連接。EK 的 I2C 接口直接連接到模塊的 I2C 引腳，并可從 PC 進行配置（圖 6）。
圖 6：可配置電源模塊 EK 需要電源、負載，并通過 USB 轉 I2C 適配器連接至 PC。（圖片來源：MPS）
將硬件連接至 PC（運行 Windows XP、7 或更高版本）并且計算機上安裝并啟動 Virtual Bench V3.0 后，開發人員將看到兩個選項：一個是“Simulation & Program”（仿真和程序），此選項允許開發人員的配置在軟件仿真器上而不是 EK 硬件上運行；另一個是“Direct Programming Mode”（直接編程模式）。下文將重點討論直接編程選項，因為它讓開發人員能夠直接在 EK 硬件的核心配置模塊。
Virtual Bench V3.0 提供了兩種配置：基本配置和高級配置。在 Basic（基本）配置下，開發人員可以讀取輸出電壓 (V)、電感值 (μH)、開關頻率 (kHz) 和工作模式（例如，峰值電流模式）的現有設置。然后，開發人員可以對這些設置進行更改，并使用修改后的數值對模塊的 RAM 進行編程，以及對模塊加電以檢查更改對其性能的影響。
類似地，在“Advanced”（高級）選項卡下，設計人員可以在以下分組中查詢和更改詳細的性能參數設置：
Light-Load mode（輕負載模式）：可用模式包括高級異步調制 (AAM) 和強制連續電流模式 (CCM)。AAM 可優化輕負載或空載條件下的轉換器效率，而強制 CCM 則可保持恒定的開關頻率，且輸出紋波較小（但在輕負載條件下效率比 AAM 低）。
Compensation（補償）：這些設置會改變穩壓器的頻率響應，而頻率響應又決定器件的瞬態響應、精度和穩定性，進而決定其在輸入電壓、負載和占空比變化時保持設定電壓輸出的能力。良好的補償可使電源在寬頻率范圍內保持穩定，但不會過度補償，使動態響應變差。
Switching（開關）：這些設置會改變穩壓器開關時電壓上升和下降的壓擺率，以及頻率抖動時間和幅度。壓擺率和抖動對于最大限度地降低 EMI 都很重要。
VIN/EN threshold（VIN/EN 閾值）：這些設置決定輸入電壓 UVLO 和 EN 操作的閾值限值（和滯后）。
Power good（電源良好）：這些設置決定“電源良好”的上升閾值上限和下限以及滯后。
SS Time（SS 時間）：軟啟動設置。軟啟動可防止穩壓器在打開輸出時使輸入過載。
Protection（保護）：通過這些設置，設計人員可以實現保護模式和閾值，例如峰值電流、OVP 和 OTP 等（圖 7）。
圖 7：MPS 的 Virtual Bench GUI 包括可配置模塊的高級編程功能，用以優化模塊性能，從而滿足設計人員的規格要求。（圖片來源：MPS）
設計人員為應用選擇最佳設置后，這些信息就會寫入模塊的內置 RAM。然后，開發人員可以在各種負載下運行 EK 以檢查其性能。要優化電源性能，只要簡單地修改設置并重寫到 RAM 中即可。
由于 RAM 是易失性存儲器，一旦模塊關閉，設置就會丟失。重新啟動時，模塊將以出廠默認設置啟動。關閉電源前，可以將 RAM 中的信息導出至 Virtual Bench，以供將來參考。
確定最佳設置后，設計人員就可以將這些設置編程至 OTP ROM 中，使它們在斷電時仍可保留，并在下次模塊啟動時使用。EK 仍然允許通過 I2C 接口和 RAM 進一步試驗設置，但在首次使用 ROM 后，就不能再保存任何進一步的設置。
雖然市面上有各種優秀的單片穩壓器可供選擇，但設計人員仍需要大量工作來設計和測試外圍電路，以針對特定應用優化設計性能。通過將模塊中完整的硬件設計與可編程數字邏輯相結合，MPS 的可配置可編程模塊簡化并加速了這一設計環節。
如上所述，將 EK 與基于 PC 的 GUI 相結合可以簡化配置，設計人員既可以進行輸出電壓或電流等基本設置并將其余設置保留為出廠默認值，也可以進行更高級的開關轉換器設計，以最大限度地降低 EMI 和瞬態響應，同時實現最佳穩定性和效率。
敲定設計后，即可為客戶提供批量生產但未經編程的模塊，讓客戶根據原型數據進行配置；或者，如果將配置信息提供給 MPS，則可在工廠進行編程，然后提供隨時可用的模塊。
電容器選擇是良好穩壓器設計的關鍵。
使用低 EMI 開關穩壓器優化高效率電源設計。
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