使用小型化 PoL 轉換器達到最大增益

如今的系統電源要求相當嚴格，設計人員要克服的問題涵蓋多種電源電壓、電壓定序、高暫態負載電流以及過多熱能。與其從系統電源供應器的問題著手，在印刷電路板 (PCB) 層級採取應對措施更為有利，這表示必須採用某種負載點 (PoL) 轉換器。絕大多數設計工程師都必須滿足市場對於更小型、更高效率系統的需求，因此小型化 PoL 電源供應器的需求也水漲船高。然而，並非所有 PoL 轉換器都相同，在確定採購前必須考量幾個因素。

在近年，有不少關鍵趨勢主導著電子業發展，其中最特別的是產業逐漸捨棄集中式電源系統，甚至也遠離分散式電源架構 (DPA)。取而代之的最新選擇是中間匯流排架構 (IBA)，其中有隔離式前端 DC/DC 轉換器，可供電給多個其要供電之負載附近的小型非隔離式 DC/DC 轉換器 (稱為負載點 [PoL] 轉換器)。

圖 1：以 Flex Power Modules 的 PMU8318 PoL 轉換器為例，即可提供集中式電源系統的替代方式。(圖片來源： Flex Power Modules)

相對於 PoL 轉換器的部署，有其他趨勢也跟著興起，包括要求更高的效能等級、降低成本，以及系統／元件的小型化。最新的電子裝置不僅要快速且小巧，還要比前一代產品更進一步縮小、輕量、功率密集且更有效率。

這項考量對電源供應器的設計有多重影響。在第一個例子中，每平方公釐的 PCB 面積都具有高價值，因此轉換器越小越好。但這又有另一個問題要考量。PoL 電源供應器可針對微控制器或 ASIC 等高效能半導體，克服其所要求的高峰值電流需求以及低雜訊容限的難題，這主要是因為放置時貼近使用點。但可惜的是，許多設計人員礙於急迫的開發時程與板件的複雜度，都將電源供應器的考量擱置到最後一刻。因此，PCB 空間往往受到擠壓，剩餘的空間只能接受縮小化的裝置。

另一個考量是多用途性。建議要評估 PoL 轉換器是否同時適合 ASIC 與 FPGA。雖然絕大多數最佳化的 PoL 電源供應器都屬簡易的類比 (非數位) 解決方案，但配合 FPGA 的能力也相當重要，因為越來越多設計人員會在許多應用中採用 FPGA。

FPGA 可提供比客製化設計 ASIC 更多的優勢，包括更低的成本、多種尺寸，以及重新配置電路的可能性。即便這些優點對設計工程師具有高度吸引力，但還是有個問題。每個 FPGA 都需要多個 DC 電壓電源。通常需要四、六或更多個 DC 電軌，有些的核心電流相當高，但更多的核心電流都較低。這就是為何要慎選 PoL 轉換器的原因，尤其是最新的高密度 FPGA (及 ASIC) 在複雜度上更加提高且要求也更多。簡而言之，在講究縮小化的同時，也不可犧牲效能、效率、品質與靈活性。

但 PCB 空間相當寶貴，尺寸的重要性不容忽視。關鍵在於，小型 PoL 轉換器通常夠薄型且輕量，可用在 PCB 的底面，因此可節省空間並提升設計靈活性。若拿僅可安裝在板件一面的更大／更重／更高 PoL 電源供應器，或是單獨的隔離式轉換器來比較，這個節省空間的概念所帶來的優勢就清晰可見。

除此之外，小型 PoL 轉換器可放置更靠近負載的位置，再次凸顯其眾多關鍵優勢之一。舉例來說，DC/DC 配電損耗即可降至最低，同時還可解決雜訊靈敏度及 EMI 輻射的問題。此外，雜散電感也會降低，因此能更快速對暫態做出反應。

採用多個 PoL 轉換器也能以更加輕鬆的方式提供多個電壓電源，滿足現今 PCB 上高規格元件的常見要求。

還有一個地方需要詳加考量，那就是熱效能。隨著電源元件更加縮小且封裝密度更高，熱傳遞增加的機率也明顯變高。功率耗散及產生的熱，必須盡可能降至最低，這已經是眾所周知的原則，以免溫度升高及可靠度降低，也可避免要排除任何過多熱能所需的額外費用。因此最好的建議是詳讀 PoL 轉換器的規格書，尤其要注意查看熱效能與效率的資料。與熱效能相關的資訊通常為以「降額曲線」的主題提供，說明轉換器的最大輸出為何取決於環境溫度及散熱條件 (圖 2)。

圖 2：PMU8318 產品 (12 V_IN、1 V_OUT 設定點、6 A) 的輸出電流降額曲線指出，在 6 A 且無氣流的情況下，電流會維持穩定，直到溫度直達到 +105°C 為止。(圖片來源：Flex Power Modules)

此產品的效率資料亦可在規格書中對應的「效率曲線」中找到，因此必須詳加查閱 (圖 3)。

圖 3：挑選 PoL 時也必須考量效率曲線。在此顯示 PMU8318 產品 (12 V_IN、多重 V_OUT 及切換頻率位準，最大 6 A) 的典型效率特性。(圖片來源：Flex Power Modules)

此外也建議系統設計人員尋求可提高效能的額外功能。例如，有些穩壓器含有迴路最佳化功能，即可讓工程師針對不同的電容負載進行暫態反應的最佳化，進而提高系統設計的靈活度。特定 PoL 解決方案亦提供可配置的軟啟動或追蹤功能，能讓時間定序設計更為簡便且更靈活。

總結來說，小型 DC/DC 轉換器適合多種板空間寶貴的應用。此類穩壓器小巧且符合成本效益，可提供多種通用的專案優勢，例如縮短開發週期、簡化合格作業、設計定位零活性、提高品質水準，並可節省開發成本。

為了滿足小型化 PoL 穩壓器日益增加的需求，Flex Power Modules 透過 DigiKey 銷售期小型產品系列，以小巧、薄型、多功能的套裝提供優異的性價比。具有高效率，通常為 95.3%，熱效能也相當優異，有一部份是因為 LGA 設計能讓熱傳遞到主機 PCB。

這些小型 PMU8000 PoL 轉換器在市面上採用標準形式封裝，可應用在板件的頂端或底面，因此對設計工程師來說是相當靈活的解決方案。單一覆蓋區即可涵蓋 4 A、6 A 及 8 A 電流位準，對於追求電源設計最佳化的系統設計人員來說可提供更高的靈活度。此外，此模組亦可在高溫 (高達 105°C) 及嚴峻環境條件下運作。具有完備的設計，因此平均故障間隔時間 (MTBF) 為 171 Mhrs。Flex Power Modules 的 PoL 穩壓器非常適合多種電源轉換應用，包括 FPGA、ASIC、網路處理器、CUP 及 GPU，並可擴及眾多領域，如 ICT (電信與數據通訊)、工業、測試與量測、IoT、鐵路與醫療。