使用中階電流 DC/DC 穩壓器模組時應避免的常見錯誤

設計人員一直都在尋找使用就緒、立即可用的零件，以便在 1 A 至 2 A 的中階電流範圍內提供低電壓 DC 輸出軌，藉此符合基本效能目標，以及效率和法規的要求。雖然廠商現在有提供許多適合且小型的 DC/DC 轉換器／穩壓器可滿足此需求，但直接認定這些產品就是「直接替代品」而不加以考量，可能不夠謹慎。

為什麼呢？這些穩壓器儘管看似簡單，但仍舊屬於電源的一種，會提供中階電流到負載。由於採用模組架構，設計人員只要添加一些外接式的非關鍵被動元件即可。然而，這種使用上的便捷性會讓設計人員過於自滿，而忽略會影響所有電源與軌道的基礎項目。

本文章將找出並探討這些關鍵基礎項目。接著會介紹一些模組化電源解決方案，並說明如何應用這些核心原則來發揮最大效益。

找出電源設計的陷阱

首先，來說說好消息。這些裝置的運作效率相對較高，通常介於 80% 至 95% 之間，視特定機型與操作點而定。雖然輸出電流不高，設計人員仍然需要做基本的熱能與耗散分析，以確保裝置維持在溫度額定值內，不會對系統散熱造成額外的負擔。

有五個主要關注點：1) IR 壓降、2) 隔離、3) 輸出可調整性、4) 切換雜訊、5) 低阻抗返回路徑。首先，在選擇特定 DC/DC 穩壓器之前，設計人員就應該先確定非穩壓 DC 電源能提供足夠的電流，並且考量是否可能有其他 DC/DC 單元也需仰賴此電源運作。另外，請確保電源的動態效能足夠應付更高的電流暫態負載要求，主要是因為這些穩壓器沒有大容量的輸出電容。

IR 壓降：負載過重嗎？

為了確定元件、I/O 埠與可能熱源的位置，設計人員通常必須面臨多變且相互衝突的電路板佈局需求。電源穩壓器在這方面可能更為棘手。在理想狀況下，電源穩壓器的位置會靠近負載以徹底降低 IR 壓降和拾取雜訊，也可儘量避免使用較大且浪費空間的電流電路板走線。

IR 壓降是最容易被忽略，卻又最容易計算的項目。只要 DC/DC 穩壓器輸出與負載之間有幾毫歐姆的電阻，就會在這些單元提供的電流上產生十毫伏特或更高的壓降。雖然這個數字看起來可能很小，但當標稱 DC 軌道只有幾伏特時，其影響會相當顯著。

因此，電路板走線的大小必須適中，或許也可以安裝在一個獨立的電路板上。可考慮使用細匯流排。匯流排看似過時方案，但卻非常有效，原因有兩個。一，可大幅降低 IR 壓降。二，只要稍微增加 BOM 成本，就可使用雙層匯流排，建立優異的 DC 電流接地返回路徑。

除此之外，使用高側 DC 軌道也同樣重要，這樣才能盡量降低 IR 壓降；建立更好、電阻更低的系統接地；並盡量減少接地結構中的寄生與非 DC 阻抗，以免影響更高頻的效能。當然，不論實體 DC 軌道與接地如何，都必須有低阻抗的小容量旁路電容，且需盡可能靠近 IC 電壓供應針腳或引線，也要盡量減少電源軌上的雜訊相關問題。

由於某些情況仍不允許 IR 壓降，因此使用含有遠端感測能力的專用穩壓器架構會很有幫助。在此，穩壓器有兩個傳統端子負責電流的供應與回流，還有兩個感測端子，會延伸至負載以測量該負載的實際電壓。穩壓器使用此感測值作為回授來調整本身的輸出電壓，藉此補償壓降 (圖 1)。

圖 1：遠端感測能力允許 DC 電源直接測量負載的實際軌道電壓，並依照需求針對任何 IR 壓降或其他變化進行動態補償。(圖片來源：Analog Devices)

舉例來說，Linear Technology Corp/Analog Devices 的 LTM4601 µModule^® 可從 4.5 至 20 VDC 輸入，提供介於 0.6 至 5.0 V、高達 12 A 的大電流。在較高電流下，IR 損耗可能會有損系統效能與行為一致性。此模組可使用遠端感測，針對 V_OUT 與 V_LOAD 及接地返回路徑之間的電路板 IR 壓降損失進行修正。因此，即便線路、負載與溫度有所變化，LTM4601 仍能保證負載的電壓準確度達到 ±2.0% 或更高。

但請注意，遠端感測不是萬靈丹。事實上，遠端感測會在電源與負載之間形成一個較大的回授迴路。如果將電源穩壓器視為一種電源運算放大器 (實際上就是如此)，則此回授迴路會讓電源曝露在雜訊與 EMI/RFI 中，進而影響封閉迴路的效能。此迴路的存在甚至可能會造成穩壓器的不穩定與振盪。因此，在實作遠端感測時必須謹慎考慮佈局。

將 IR 效應降到最低的另一個方法是，將多個小穩壓器置於各自的負載附近，而不是挑一個中心位置匯集成一個大型單元組合。這是個經典的機會成本問題，即是否使用兩個或更多個較小且較便宜的單元，還是選用一個更大、更昂貴的單元。雖然 BOM 成本差異可以量化，但選用單一大型元件或是多個小型元件，在技術上的影響較難衡量，需倚賴分析、判斷力與經驗。

舉例來說，Texas Instruments 的 LMZM33602 電源模組將降壓轉換器與功率 MOSFET、屏蔽式電感及被動元件放在一個相對較小的薄型封裝中，可提供 1 至 18 V 且最高 2 A 的電流 (圖 1)。此產品只需要四、五個非關鍵性外部被動元件，並且在穩壓器設計上無需迴路補償與磁性考量。

圖 2：使用多個小型低電流穩壓器 (如 Texas Instruments 的 LMZM33602) 可能會增加 BOM 成本，但也可能在 IR 壓降與雜訊處理方面簡化佈局並提高效能。(圖片來源：Texas Instruments)

LMZM33602 的尺寸僅 9 mm × 7 mm × 4 mm 並採用 QFN 封裝，可輕易放在負載元件或子電路附近。如此即可以兩種方式盡量降低 IR 壓降。

一，穩壓器位於負載附近，可降低軌道的電阻與拾取雜訊。二，輸出電流僅有幾安培，亦可降低 IR 壓降。因此，相較於使用單一大型 10 A 單元，部署幾個此類單元可提高佈局彈性、降低 IR 壓降、減少拾取雜訊、達到更均勻的散熱，並提供其他系統方面的優勢。

隔離：有時可不隔離，但通常必須隔離

電流隔離 (即一個電路的兩部分之間無任何阻抗路徑) 可能多少有幫助，或是不得不做，視情況而定。消除系統接地迴路可能會有幫助，因為有時可能需要介接浮式 (未接地) 傳感器，但如果是為了確保醫療儀器的高電壓電路和使用者之間的安全性，則必須消除系統接地迴路。許多設計人員並不知道有這種隔離作法，或是不清楚這種作法背後的需求或好處。

無論何種原因，有件事經常被忽略，即隔離的子電路也需要隔離電源 (通常是較低電流位準)。以前若要實作隔離電源，即便電流不高，也需要佔用非常大的覆蓋區，而且電源隔離的 BOM 成本往往也比其他功能高出許多。「建構」而「不買」的作法在過去通常行不通，因為隔離式設計無論在設計或組裝上都不容易。另外，對於許多應用來說，隔離式設計以及實際實作都必須經過測試與認證，以符合業界與法規標準，這個流程既昂貴又複雜。

但如果使用完全合規且經過核准的小型隔離式 DC/DC 模組，如 Analog Devices 的 LTM8047 (圖 3)，就能明顯解決此問題。此模組使用隔離返馳式拓撲，提供 725 V_DC 的隔離能力。

圖 3：Analog Devices 的 LTM8047 穩壓器模組在元件、拓樸和封裝上皆有所進展，可提供電流隔離能力，符合其電壓等級的所有相關法定標準，但在使用者看來，卻與其他傳統的非隔離式裝置沒有太大分別。(圖片來源：Analog Devices)

此模組採用 11.25 mm × 9 mm × 4.92 mm 的小型 BGA 封裝，當中含有切換控制器、電源開關及所有支援元件，以及隔離變壓器的核心元件 (圖 4)。此產品可在 3.1 至 32 V 輸入電壓範圍內，輸出 2.5 至 12 V 電壓 (常保降壓模式)。此模組能在 2.5 VDC 下提供 440 mA，雖然電流量並不大，但要為許多隔離式子電路與傳感器前端供電已綽綽有餘。

圖 4：基於物理定律與相關法規要求，提供隔離時須在輸入與輸出端之間保留一段實體間隔；Analog Devices LTM8047 的大小支援高達 750 V 隔離能力，對許多應用狀況來說都很足夠。(圖片來源：Analog Devices)

可調整性：有幫助，但需謹慎

這些現成的 DC/DC 穩壓器很少提供固定、預設的電壓。使用者可採用一對電阻以分壓器的配置法來設定電壓。這麼做有幾個好處，即同一個穩壓器可用在許多地方，能藉此簡化 BOM；輸出電壓可往上調整幾個 mV 以補償 IR 壓降 (雖然在許多情況下都不建議這麼做，但此作法目前廣受採用)；可針對類比電路所需設定值往上調整輸出電壓，特別是 RF 應用，必須要效能與耗散之間有所取捨 (更高的電壓可提供更好的 SNR 與更廣的頻寬，但會增加耗散)。

然而，使用者必須清楚，在計算穩壓器的標稱 DC 輸出電壓時，必須考慮到電壓設定電阻的穩定性與溫度係數 (tempco)，以及熱操作環境。在高溫下，DC 軌可能會偏離負載規格範圍。因此，為此功能選擇低溫度係數的電壓設定電阻可能較明智，甚至有其必要性，而非選擇一般用途裝置，其大概只適合在其他非關鍵功能中當作上拉電阻。

有些 DC/DC 穩壓器還提供另一個設定：能讓使用者選擇切換頻率 (這些穩壓器都使用切換式拓撲；基於效率與尺寸的緣故，這些產品沒有一個是低壓降穩壓器 [LDO])。以 Maxim Integrated 的 MAX17536 為例，就可透過單一電阻將其設定成在 100 KHz 至 2.2 MHz 的廣大頻率範圍內運作 (圖 5)。透過此設定，即可避免附近頻率重疊的電路 (如 550 至 1600 kHz 的 AM 無線電頻段) 被切換雜訊所影響，或是避開傳輸特定訊號的指定窄頻。

圖 5：使用單一電阻將 Maxim MAX17536 穩壓器的切換頻率，設定在 100 kHz 至 2.2 MHz 的寬廣頻段內，即可賦予彈性，將電路或訊號的干擾降至最低。(圖片來源：Maxim Integrated)

請注意，電阻與切換頻率之間的關係是非線性的，而且並不精確。基於此原因和其他理由，可設定讓 MAX17536 與外部電源同步，而不是在電阻所設定的頻率下運作。這也能避免與系統內的其他時脈來源產生不必要的混頻，以免產生拍頻，進而導致一些隱約旦又難以診斷的問題。

結論

電流值介於 1 A (或更低) 至 10 A 的低電壓、中等電流電源在設計過程中有其風險和困擾之處，透過本文介紹的這些小型、完整 DC/DC 轉換器，就可大幅消除此類風險及困擾。但如同任何元件一樣，有些基本規則必須瞭解並普遍遵守，才能順利安裝並完全發揮潛力，同時避免任何陷阱。