小型降壓電源模組可協助設計人員輕鬆作出「製造或購買」的決策

從物聯網 (IoT)、醫療臨床裝置、穿戴式裝置到智慧型建築、智慧型感測器和各種消費類產品，電子裝置無處不在，比比皆是。無論其主要電源是由線路供電的 AC-DC 轉換器還是電池，挑戰都在於如何為這類裝置提供一個或多個經適當調節且效能良好的低壓 DC 電軌。除了提供實現嚴格調節的主要功能 (通常以寬輸入電壓範圍運作)，這些裝置中的降壓 DC-DC 子系統還須小巧、高效，具有較少的電氣雜訊並符合嚴格的法規要求。

設計人員在提供此類 DC 電源上有兩種明確選項：他們可以設計和建造 (即「製造」) 自己的 DC-DC 子系統，也可以選擇完整且隨時可用的現成模組。「製造」在客製化方面有其優勢，但可能會增加成本並造成延遲，這是因為電源設計結合了技術、工藝和藝術，還需要一點運氣。「製造與購買」的依據在最近才出現明確的分野，購買高階 (>100 W) 和中階 (>~10 W 至 <~ 100 W) 產品，在技術和成本考量上比較合理，而低階產品 (<~10 W) 則通常會選擇「製造」。設計人員可以使用低壓降穩壓器 (LDO) 或切換式穩壓器 IC，以及若干外部被動元件，來製作自己的降壓裝置。

但是，由於現今對於上市時間的要求越來越具挑戰性，再加上產品不斷朝著微型完整模組創新，即便對於低功率產品，「購買」決策也更具吸引力，也更合理。

本文以 Maxim Integrated 的 Himalaya uSLIC 降壓 DC-DC 電源模組系列為例，介紹了低功率 DC-DC 電力傳輸的關鍵參數、效能要求和解決方案。

基本效能僅僅是開始

與其他電源一樣，低功率降壓 DC-DC 穩壓器最初以一些基本參數為區隔，包括輸入電壓範圍、輸出電壓設定 (固定或可調) 和最大輸出電流。這些參數都是起始參數。除此之外，還有一些與品質有關的其他因素，包括在不同負載下的調節和穩定性、漣波電流及暫態效能等。另外，還有一些重要的功能，如欠壓鎖定 (UVLO)、短路保護、熱保護、過壓保護 (OVP) 以及過電流保護 (OCP)。

在重要參數清單中，還包括工作效率。在某些情況下，需要高效率才能滿足法規的「綠色」要求，儘管這些規定對低功率電源的要求，不像對中、高階電源那麼嚴格。另外，在電池供電的應用中，較高的效率也有助於延長運行時間，並且高效率在標稱負載、低負載條件下及靜態模式下非常重要。即使以 AC 線路作為主電源，並且運行時間不受效率影響時，將能耗和熱負載降至最低仍然至關重要。

此外，法規還要求從以下兩方面考量電磁干擾 (EMI) 因素：

• 首先，DC-DC 穩壓器必須不易受到「傳入」的 EMI 和雜訊的影響，因為這會影響其效能以及供電的對象。
• 此類穩壓器絕對不能成為輻射和傳導 EMI 的來源，所允許的 EMI 限值取決於終端應用 (例如消費性、汽車、工業和醫療應用)、功率範圍和頻率。

取得產品認證以符合各種 EMI 要求，是一個複雜而耗時的過程，需要設計和測試專業。

在討論功率調節器功能需求時，總是不能忽略另外兩個因素：尺寸和成本。一般來說，尺寸越小越好，而且通常是必不可少的要求，儘管對於大型產品來說，這可能不是最優先考慮的問題。當然，低成本永遠是受歡迎的優勢，但是其相對重要性取決於應用的需求。

「製造與購買」有了新的評估標準

在製造與購買之間顯然需要權衡取捨，包括潛在因素的相對權重。例如，尺寸較小的解決方案價值多少？若改善一方面的效能，需增加多少成本？例如，一個 2 MHz 的切換式穩壓器，會比基本規格相當的 1 MHz 版本要小，但由於在較高頻率下運作的損耗會增加，其效率可能會降低。

鑒於許多高效能 DC-DC 穩壓器 IC 可用於較低的功率層級，而且看起來也易於使用，「製造」似乎是一個明智的決定。然而，現實情況卻越來越不是如此。這是由於各種因素累積造成的，包括對電路效能的諸多要求，以及與「製造」相關的風險，例如投產風險、採購相關被動元件所面臨的挑戰，以及嚴格的測試／認證要求等。

電感讓情況變得明朗

切換式穩壓器需要一個小電感來儲能，但無法於晶片上製造。原則上，電感是一個幾乎微不足道的元件，其初始模型特性為電感和 DC 電阻。一旦設計人員有了這兩個因素的數值，理論上就可以進行 DC-DC 穩壓器的塑模和設計。

實際上，事情並不那麼簡單，即使是簡化的「改良」電感模型所包括的自電容也取決於頻率 (圖 1)。

圖 1：即使是簡單電感的等效電路也有一定的複雜度，其模型會隨著電感工作頻率的變化而變化。(圖片來源：Springer Nature Switzerland AG)

沒有所謂的「正確」模型，高階詳盡的模型會包含其他難以評估的寄生元件 (圖 2)。

圖 2：當電感工作頻率增加時，等效電路會出現更多的細微差異，有些差異與電感放置位置、相鄰元件和 PC 板有關。(圖片來源：Sonnet Software, Inc.)

電感的實際尺寸和放置位置會增加模型的複雜度；甚至其位置或方向的微小偏移都會改變模型的準確性，並影響效能、EMI 和效率。隨著切換頻率擴展到兆赫範圍，這些模型愈發需要控制這些附加因素。

此外，有經驗的工程師可能會遇到這樣的問題：有時採購部門或生產設施會以類似零件，取代工程師在物料清單 (BOM) 中要求使用的特定供應商和型號的零件。這種「簡單無害」的替代似乎沒有問題，因為不同裝置的主要規格是相同的。但元件更細微的次要規格可能有些許差異，導致 DC-DC 穩壓器效能與原來製造、測試和核准的版本有所不同，因而無法按通過測試和發佈的方式工作。

由於這些原因和其他原因，從市面上諸多可用的穩壓器 IC 中挑選一款 IC，然後使用一些被動元件來自行「製造」的方式，無論是在效能、合規性還是上市時間上，面臨的風險都越來越大。這讓使用可行替代方案的「購買」決策變得更具吸引力。

權衡後強烈傾向於「購買」

在過去幾年中，購買這種低功率範圍產品的狀況發生了巨大變化。設計人員現在可以從 Maxim Integrated 的眾多 Himalaya uSLIC 降壓 DC-DC 電源模組系列產品中進行選擇。這些模組不會在效能和尺寸方面做出權衡或妥協，也不會有「製造」決策帶來的風險。

Himalaya uSLIC 系列包括兩個固定輸出單元，即 MAXM17630 (3.3 V 輸出) 和 MAXM17631 (5 V 輸出)，以及可調式電阻組合 MAXM17632 (0.9 V 到 12 V 輸出)，全部都具有 1 A 的電流能力。在這些同步降壓 DC-DC 模組中，每一個模組都含有整合式控制器、MOSFET、補償元件和電感。整個輸出電壓範圍都內建有補償，因此不需要外部補償元件，由於外部補償元件必須與穩壓器的工作模式相匹配，因此通常難以選擇。

這些模組可在很寬的輸入範圍 (4.5 V 到 36 V) 內工作；而其他 uSLIC 模組可在高達 60 V 輸入下工作，這對工業設計很有用處。該模組系列的回授電壓調節準確度為 ±1.2%。這些模組提供過熱保護功能，而且環境工作溫度設定在 -40℃ 至 +125℃。

這些模組只需要幾個非關鍵性外部電阻和低成本陶瓷電容，即可運作並建立工作特性 (圖 3)。

圖 3：MAXM17631 是 Maxim Himalaya uSLIC DC-DC 降壓電源模組系列產品之一，配置和使用起來非常容易；請注意，圖中並未顯示電感。(圖片來源：Maxim Integrated)

這類模組「僅有硬體」，所以不需要考慮軟體啟動或設定連接埠。這些裝置儘管不是 IC，但看起來確實很像 IC。內部電感密封在一個很薄的小型封裝內，具有 16 個引腳，尺寸為 3 mm x 3 mm x 1.75 mm，且底部為導熱片 (圖 4)。

圖 4：Maxim Himmimalaya uSLIC 系列產品的尺寸僅為 3 mm x 3 mm x 1.75 mm，具有 16 個引腳；封裝底部為導熱片，可簡化散熱。(圖片來源：Maxim Integrated)

雖然尺寸很小，但 Himalaya uSLIC 模組具有高效能、易於使用和配置靈活等特點。這些模組支援外部時脈同步，可在 400 kHz 至 2.2 MHz 範圍內調整頻率。此外，由於這些單元符合 CISPR 22 (EN 55022) Class B 傳導放射與輻射放射要求，因此無需擔心該電源模組無法滿足嚴格的 EMI 要求 (圖 5 和圖 6)。

圖 5：Maxim Himalaya uSLIC 系列產品可輕鬆滿足 CISPR 22 (EN 55022) Class B 傳導放射容許限值。(圖片來源：Maxim Integrated)

圖 6：Maxim Himalaya uSLIC 系列產品也滿足 CISPR 22 (EN 55022) Class B 輻射放射容許限值。(圖片來源：Maxim Integrated)

另外，這些產品還符合 JESD22-B103、B104 及 B111 掉落、衝擊和振動標準；在「製造」設計中若想滿足上述標準，則會在符合電氣效能要求之外造成額外負擔。

為何不改用 LDO？

低壓降穩壓器 (LDO) 每年被廣泛用於數百萬計的應用中，可滿足許多應用的需求。這些裝置易於應用，幾乎沒有輸出雜訊。但是效率會隨著供應電流的增加而降低，也會隨著供電軌和輸出間之電壓差的增加而降低。在許多低功率應用中，儘管效率有所打折，但這些產品在提供穩壓輸出方面，似乎是一個很具吸引力的解決方案。

不過，情況經常事與願違。以空間有限的光學接近感測器為例，感測器需要從額定 24 V DC 的電源中 (即 19.2 V DC 到 30 V DC) 以 80 mA 獲取 5 V 電壓 (圖 7)。

圖 7：在這個緊湊型光學式接近感測器範例中，小型 uSLIC 模組可用於以 80 mA 有效地提供 5 V 電壓。(圖片來源：Maxim Integrated)

下表是將標準 LDO 和 MAXM17532 uSLIC 電源模組 (輸出為 0.9 V 至 5.5 V、電流為 100 mA 的元件) 進行比較分析後的摘要，顯示兩者存在顯著差異 (表 1)。

表 1：與 LDO 相比，使用 uSLIC 可以節省大量電力，其整體耗散的差異也很顯著，大約是使用 LDO 解決方案時的 5%。(圖片來源：Maxim Integrated)

uSLIC 電源解決方案的效率是 LDO 的 4 倍，並可在額定輸入為 24 V 時將功率耗散減低至 LDO 解決方案的 1/19 (大約降至 5%)；當 DC 輸入值為 30 V 時，差異更大 (參考 1 列出了此分析的詳細資訊及其他範例)。

完整但仍可配置

儘管 uSLIC 元件是一款採用峰值電流模式控制架構的「密封式」模組，但使用者仍能從三種工作模式中，選擇一種適合自己的模式。這可讓設計人員根據需要，透過連接適當的封裝引腳來選擇最符合應用優先級和取捨的效能屬性，而不必在訂購零件時就作出選擇。因此，同樣的元件可以在不同產品中，甚至在同一產品中以其不同的模式使用，這不但能簡化物料清單，也允許在設計週期的後期進行更改。

這三種模式為：

•脈寬調變 (PWM) 模式：內部電感電流可為負值。此工作模式在對頻率敏感的應用中非常有用，而且可在所有負載下提供固定的切換頻率操作。但相較於其他兩種模式，其在低負載下的效率較低。

•脈衝頻率調變 (PFM) 模式：此模式會停用電感的負輸出電流，而由於在電源供應器汲取的靜態電流較低，因此可在低負載下提供較高的效率。缺點是輸出電壓漣波比其他工作模式高，且切換頻率無法在低負載下保持恆定。

•非連續導通模式 (DCM)：透過在低負載下停用負電感電流，此模式也可在低負載條件下實現高效率，而且相較於 PFM 模式，可在更低的負載下提供恆定的頻率操作。此模式的效率介於 PWM 和 PFM 模式之間，DCM 模式下的輸出電壓漣波與 PWM 模式相當，與 PFM 模式相比則相對較低。

對於這些 uSLIC 模組，使用者還可使用選配的外部電容來設定啟動時間等因素。此功能在電源定序和上升率至關重要的多軌設計中非常有用。

模組可免除特性化工作

選擇「製造」選項的工程師面臨著諸多任務，其中一項便是在各種靜態和動態工作條件下以多種不同的參數正確地評估終端產品。這是一項耗時的工作，同時可能會產生許多意外的錯誤。在諸多要求中，其中一個就是必須謹慎及主動地控制負載。

而設計團隊在使用 Maxim Himalaya uSLIC 模組時可以跳過此步驟。由於這些裝置是完整的，因此其規格書已全面描述了從輸入引腳到輸出軌的特性。除了電氣特性表之外，還有一百多個定義效能的圖形，其中包括效率與負載電流、輸出電壓與負載電流、輸出電壓漣波、負載暫態響應、啟動與關機效能及波德圖等因素，且涵蓋了各種工作條件，包括一直都很重要的溫度條件。此外，市面上還有功能強大的設計和模擬工具，可以輕鬆地將模組行為整合到更大的全系統模擬中。

快速上手

儘管 Maxim uSLIC 模組很容易使用，並具有完全特性化的效能和模擬型號，但設計人員仍需要對模組功能有一些「實作」感，使其在使用這些小型元件開發產品時更覺舒適。由於 uSLIC 的尺寸很小，因此 Maxim 提供 MAXM17630EVKIT# 評估板來加速評估 (圖 8)。此開發板有三個相鄰的獨立部分，分別用於 MAXM17630、MAXM17631 和 MAXM17632 模組。

圖 8：Maxim MAXM17630EVKIT# 評估板可透過三個相鄰的獨立部分，直接支援 MAXM17630、MAXM17631 和 MAXM17632 這三個模組的配置和評估。(圖片來源：Maxim Integrated)

此評估板允許使用者在任何一個基本工作模式 (PWM、PFM 和 DCM) 下執行以下操作：練習和評估 uSLIC 作業、根據需要同步到外部時脈、啟用和停用模組以及更改 UVLO 設定等。在初始設定中，評估板將 MAXM17630 模組 (3.3 V @ 1 A) 配置為在 4.5 至 36 V 輸入範圍內，以 900 kHz 切換頻率工作；將 MAXM17631 模組 (5 V @ 1 A) 配置為在 7 至 36 V 輸入範圍內，以 1.250 MHz 切換頻率工作；將 MAXM17632 可調整模組 (13 V @ 1 A) 配置為在 20 至 36 V 輸入範圍內，以 2.150 MHz 切換頻率工作。

其規格書詳細描述了評估板線路圖，以及頂部和底部板的佈局和遮罩。使用評估板只需要一個 0 至 36 V DC @ 1 A 的電源供應器、一個數位三用電表，以及可在 3.3 V、5 V 和 12 V 下最多流入 1 A 的負載電阻。另外，此套件的 PC 板佈局還可以限制功率轉換器切換節點的輻射放射，使輻射放射低於 CISPR22 Class B 的限值。

使用此評估板評估時的配置與最終導入設計的配置並不相同，因此提供了選配的電解電容來抑制可能會在熱插拔過程中發生或因評估環境經常使用較長的輸入纜線而產生的輸入電壓峰值和振盪 (但在實際應用中，不會使用較長的輸入纜線)。這些纜線鋪設於輸入電源和套件的電路之間，可能會因其電感而引發輸入電壓振盪。電解電容的等效串聯電阻 (ESR) 有助於抑制纜線可能造成的振盪。

結論

Maxim Himalaya uSLIC 模組明確表明，即使在相對較低的 DC-DC 降壓轉換器功率等級下，權衡「製造與購買」後，仍強烈傾向於購買。這些體積小巧的裝置不僅具有完全特性化的效能，符合 EMI 和效率法規的要求，而且還能簡化終端產品物料清單，因而是合理的選擇。

參考資料：

1. 「Meeting the Efficiency and Power Dissipation Needs of Space-Constrained Applications」
2. 「How to Efficiently Power Tiny Industrial Sensors」
3. 應用說明 6417，「Assembly Guidelines for uSLIC Packages」