電源模塊與分立式穩(wěn)壓器的優(yōu)缺點(diǎn)比較

時(shí)間：2011-12-20 13:16:56

關(guān)鍵字：電源模塊穩(wěn)壓器 BSP 模塊化設(shè)計(jì)

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[導(dǎo)讀]什么是模塊化穩(wěn)壓器？下面的示意圖給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的非隔離式直流/直流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的基本構(gòu)建模塊。脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制、電流開(kāi)關(guān)以及儲(chǔ)存能量的電感和電容都是必需配置。右側(cè)的模塊化穩(wěn)壓器將電流開(kāi)關(guān)連同電感都

什么是模塊化穩(wěn)壓器？

下面的示意圖給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的非隔離式直流/直流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的基本構(gòu)建模塊。脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制、電流開(kāi)關(guān)以及儲(chǔ)存能量的電感和電容都是必需配置。右側(cè)的模塊化穩(wěn)壓器將電流開(kāi)關(guān)連同電感都進(jìn)行了集成，但在分立式設(shè)計(jì)中它們則是獨(dú)立的實(shí)體。由于儲(chǔ)能電容中的能量值往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)1μF，所以較少集成在單獨(dú)的器件中。

如何在分立式穩(wěn)壓器和電源模塊間做出選擇？

一般情況下，主要是從購(gòu)置成本、設(shè)計(jì)工作量和性能等三方面進(jìn)行權(quán)衡。

購(gòu)置成本是材料清單費(fèi)用、設(shè)計(jì)師的勞務(wù)費(fèi)、測(cè)試和潛在重新設(shè)計(jì)所需的勞務(wù)費(fèi)、制造/裝配費(fèi)，以及因電源設(shè)計(jì)不當(dāng)而造成的質(zhì)量問(wèn)題所產(chǎn)生的潛在費(fèi)用的總和。

顯而易見(jiàn)，使用完全集成的電源模塊供電所需的設(shè)計(jì)工作量比使用分立式電源要少，但是在可用的分立式穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)中，可以有部分電路的集成。例如，有些穩(wěn)壓器內(nèi)置了場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）開(kāi)關(guān)，因此無(wú)需選擇FET或考慮柵極驅(qū)動(dòng)因素?？刂破骷呻娐愤x擇的靈活性最大，但是這需要有更高級(jí)別的設(shè)計(jì)能力。假如設(shè)計(jì)者已經(jīng)決定要使用非模塊化的解決方案，那么他們還需要深入研究如何理想地將分立器件嵌入到設(shè)計(jì)中。幸運(yùn)的是，有一些強(qiáng)大的設(shè)計(jì)工具，例如美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的 Webench可以協(xié)助電源設(shè)計(jì)新手進(jìn)行分立式電源設(shè)計(jì)。

集成模塊確實(shí)需要相應(yīng)的設(shè)計(jì)工作量，設(shè)計(jì)者至少要評(píng)估所要設(shè)計(jì)的電源規(guī)格，其中包括評(píng)估輸入/輸出電壓、電流、允許的溫升、噪聲、安全性和輻射情況以及其他可能要注意的細(xì)節(jié)。即使是最簡(jiǎn)單的模塊化設(shè)計(jì)方案也須進(jìn)行精密的規(guī)劃。

電路的性能由多方面的因素和實(shí)際應(yīng)用決定，對(duì)于射頻電路的供電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，輸出端的噪聲可能是最需考慮的因素；但對(duì)于助聽(tīng)器來(lái)說(shuō)，溫升和電路的尺寸則可能是它的決定性標(biāo)準(zhǔn)。

設(shè)計(jì)示例

不可能只通過(guò)測(cè)量分析所有電壓和電流值來(lái)判斷兩種方法的優(yōu)劣，下面則通過(guò)一組共同的參數(shù)來(lái)分別展示模塊化設(shè)計(jì)與分立式控制器集成電路設(shè)計(jì)的利弊，兩種方法的設(shè)計(jì)規(guī)格應(yīng)是相同的：

• Vin = 24V。

• Vout = 3.3V。

• 輸出電流 = 3.0A（最大值）。

• 環(huán)境溫度將設(shè)為55℃。

為了確定這兩種方法哪種更為簡(jiǎn)便，我們使用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的Webench設(shè)計(jì)工具，以LM3152 3.3V控制器和LMZ14203電源模塊為基礎(chǔ)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。Webench提供了大量便捷的設(shè)計(jì)工具，這些工具過(guò)于豐富，以至于對(duì)其的介紹會(huì)大大超出本文的討論范圍，因此，我們討論的重點(diǎn)將集中于原理圖、材料清單的成本計(jì)算、印刷電路板元件的焊墊面積、輸出噪聲分析、效率與熱仿真等幾個(gè)方面。

原理圖與材料清單

圖 1示意了使用LM31523.3V控制器的分立式設(shè)計(jì)。使用Webench完成這個(gè)設(shè)計(jì)，大概需要30分鐘。設(shè)計(jì)中改進(jìn)了少量部件以節(jié)約成本，并進(jìn)行了一些設(shè)計(jì)仿真用于驗(yàn)證功能的正常運(yùn)行。假如沒(méi)有計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）程序的協(xié)助，該設(shè)計(jì)可能要花幾個(gè)小時(shí)甚至一天的時(shí)間才能完成電路計(jì)算和器件搜索的工作。

圖1 直流/直流降壓穩(wěn)壓器的集成水平

圖2 使用LM3152-3.3控制器的分立式設(shè)計(jì)

圖3 使用LMZ14203集成電源模塊的模塊化設(shè)計(jì)

圖4 器件焊墊面積對(duì)比表格

通過(guò)對(duì)比兩種設(shè)計(jì)的材料清單（BOM）成本，可以發(fā)現(xiàn)分立式設(shè)計(jì)具有一定的優(yōu)勢(shì)。

值得注意的是，電源模塊的標(biāo)價(jià)是以500件為單位，而控制器的標(biāo)價(jià)則以1000件為單位。表格中所顯示的所有費(fèi)用均基于Webench，是已經(jīng)公示的目錄價(jià)格，器件通常以1000件為單位或者以卷帶形式供貨。

簡(jiǎn)單的PCB布局

下面的圖5顯示的是目前設(shè)計(jì)示例的評(píng)估板。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的布局藝術(shù)在于縮減大電流、高頻率節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)度和面積，同時(shí)妥善地處理返回電流路徑。任何PCB CAD操作員都可以組裝“工作中”的供電電源。為了確保供電電源的強(qiáng)健性，并盡可能降低工作期間發(fā)出的噪聲，需要對(duì)電路操作有一定程度的了解并仔細(xì)規(guī)劃。顯而易見(jiàn)，模塊化設(shè)計(jì)更不容易出現(xiàn)布局錯(cuò)誤。

圖5 模塊化解決方案和分立式解決方案相應(yīng)的評(píng)估板(比例相同)

有些模塊化設(shè)計(jì)在PCB布局上還有個(gè)優(yōu)勢(shì)：能夠在裸片下對(duì)頂層銅薄層進(jìn)行不間斷布線(xiàn)。為了盡可能保持結(jié)溫，必須確保裸片與頂層銅薄層之間實(shí)現(xiàn)最佳熱傳導(dǎo)性能。對(duì)于美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體LMZ系列的電源模塊而言，其大規(guī)模裸露焊盤(pán)上的地電位與其他信號(hào)引腳在空間上是分離的。圖5中的評(píng)估板顯示可以輕松為模塊下的裸露焊盤(pán)提供不間斷的頂層銅薄層。

元件的焊墊面積

Webench中規(guī)定PCB板上元件的“占位面積”單位為mm2，它包括了為每個(gè)邊緣預(yù)留的1mm間隔，作為間隙。下面的表格列出了元件的總占位面積，并增加了額外的50%封裝系數(shù)，包括了走線(xiàn)和開(kāi)放空間。所有的尺寸均基于單面印刷版。

效率和熱仿真

Webench的熱仿真輸出基于如下的運(yùn)行環(huán)境：Vin 24V，Vout 3.3V，輸出電流3A，環(huán)境溫度55℃，無(wú)風(fēng)扇，1.5盎司雙邊銅絲。熱布局圖給出了一種通用的布局方式，不代表可能的最大封裝密度。

從效率圖和熱量分布圖可以清楚地看出：相較于模塊化設(shè)計(jì)而言，分立式設(shè)計(jì)具有更高的效率，工作時(shí)的熱耗散更少。當(dāng)然，這僅僅只是一個(gè)工作點(diǎn)。

分立式設(shè)計(jì)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于其能夠依據(jù)規(guī)定的工作電源和輸出電流來(lái)優(yōu)化場(chǎng)效應(yīng)管的選擇。同時(shí)還需注意這些仿真都是在將室溫提高到55℃的環(huán)境中進(jìn)行的。當(dāng)Tj達(dá)到最大值125℃時(shí)，模塊化設(shè)計(jì)仍然保留了37℃的安全緩沖區(qū)。

圖6 Webench仿真輸出：分立式設(shè)計(jì)

圖7 Webench仿真輸出：模塊化設(shè)計(jì)

輸出噪聲和發(fā)射

盡管有很多方法可以來(lái)量化由開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的噪聲，但這里我們僅僅討論兩種設(shè)計(jì)的輸出電壓噪聲的比較情況。另外，認(rèn)為一種方法總是比另一種方法更嘈雜是錯(cuò)誤的。諸如電感的大小、輸入電壓、開(kāi)關(guān)頻率和電容阻抗等因素在產(chǎn)生輸出電壓紋波時(shí)均發(fā)揮主導(dǎo)作用。

模塊化設(shè)計(jì)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于：連接穩(wěn)壓器元件的電路走線(xiàn)可以遠(yuǎn)少于分立式設(shè)計(jì)。LMZ系列的集成模塊使用一個(gè)隔離電感器和三維硅堆棧最小化走線(xiàn)長(zhǎng)度和電感值，輸出電壓范圍見(jiàn)圖8所示。

圖8 評(píng)估板輸出紋波電壓噪聲的測(cè)量情況

對(duì)于這兩種方法的輸出而言，可以通過(guò)降低總電容阻抗進(jìn)一步降低電壓紋波，這種方法可以通過(guò)購(gòu)買(mǎi)一個(gè)更加昂貴的電容或者增加并聯(lián)電容來(lái)實(shí)現(xiàn)，其不同點(diǎn)在于：分立式設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的極高頻率的噪聲“尖峰”數(shù)量。所有走線(xiàn)元件的額外寄生電感和電容都會(huì)引起了輸出端的高頻尖峰，這種傳導(dǎo)和輻射噪聲也會(huì)導(dǎo)致其無(wú)法通過(guò)噪聲發(fā)射測(cè)試。

可靠性方面的考慮因素

工作電源設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的電路故障可歸結(jié)為以下三點(diǎn)：最初的裝配錯(cuò)誤、缺乏對(duì)濫用的限制（如超載輸出、過(guò)高的輸入電壓等）以及因器件壽命縮短而導(dǎo)致的故障。分立式設(shè)計(jì)和模塊化設(shè)計(jì)都會(huì)受到這三點(diǎn)的影響。但是通常情況下，模塊化設(shè)計(jì)包含一套更精細(xì)的保護(hù)機(jī)制，因?yàn)檎麄€(gè)電路是由設(shè)計(jì)者“規(guī)劃”"的，而模塊制造商將對(duì)電路采用一套比最終用戶(hù)的典型電源工作條件更為苛刻的測(cè)試環(huán)境。

模塊化設(shè)計(jì)在比較裝配錯(cuò)誤、不正確的元件、未填滿(mǎn)的元件以及焊接不良的可能性方面也具有很大的優(yōu)勢(shì)。所有需要安裝到印刷電路板上的模塊在售出前均已通過(guò)了檢測(cè)。

總結(jié)

我們將結(jié)合之前的設(shè)計(jì)示例總結(jié)分立式與模塊化穩(wěn)壓器的優(yōu)缺點(diǎn)。一般情況下，這張“記分卡”適用于各類(lèi)直流/直流穩(wěn)壓器實(shí)際應(yīng)用，不過(guò)也會(huì)出現(xiàn)例外，特別是當(dāng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏離了普通的電壓及電流范圍時(shí)。

GEC