使用可編程電源模組加速 DC/DC 穩壓器的設計

切換式 DC-DC 穩壓器能讓電源供應器達到高效率。儘管市面上已推出多種品質優良的單晶片穩壓器，但其設計是為了滿足多種應用的需求，而非針對工程師專屬設計的獨特規格需求。或者，若要針對特定應用對電源供應器進行最佳化，則需要花很長的時間進行昂貴的設計迭代。

設計人員需要的是能與電源供應器廠商連結的 Web 介面，以便設計人員依據其所需的效能參數來配置電源供應器的設計，然後在設計定案後大宗出貨。

本文將說明此類設計流程之一，使用可配置電源模組時會運用到此流程。具體來說，本文將說明如何使用 MPS 的評估套件 (EK) 和 Web 軟體，來加速簡易型或進階型 DC-DC 轉換器設計的流程。

DC-DC 轉換器設計入門

若要從頭開始設計降壓切換式穩壓器，且僅用很少元件設計，是完全辦得到的。例如，基本的設計包含一個電晶體 (基本上當作開關使用)、一個二極體、一個電感、一個跨輸出端的電容，還有另一個跨輸入端的電容。不過，若是實用的解決方案，可能還需要幾個額外元素，包括參考電壓、誤差放大器、比較器、振盪器和開關驅動器。但是，很少工程師會選擇從離散元件開始設計，因為市面上已經有多種經過實證、價格低廉且高度整合的單晶片 DC-DC 穩壓器。

通常，較容易的做法是依據規格需求，挑選來自知名供應商的穩壓器，例如輸入和輸出電壓、最大負載電流和最大電壓漣波等規格要求；若是進階設計，還要考量效率、暫態響應和頻率響應等影響因素。雖然晶片製造商確實能提供一系列令人印象深刻的解決方案，並能滿足大部分的規格要求，但無法提供完美符合所有可能性的元件。因此，設計人員仍有些工作要做。

工作量將視單晶片解決方案的整合度而定，但若是低於 10 A 的低電流設計，通常是先在一片晶片上整合脈寬調變 (PWM) 控制器、切換元件 (MOSFET 功率電晶體) 和旁路二極體，再由設計人員指定輸入和輸出濾波器電路所需的外部電感、旁路電容和其他被動元件。

雖然製造商和其他來源 (包括以下各篇推薦閱讀文章) 有提供大量資訊，說明如何以單晶片穩壓器為基礎設計電源供應器，但這仍然是棘手且乏味的過程，需進行計算和幾個硬體原型開發週期，以瞭解理論電路的實際表現，然後再進行調整以確實符合規格。

MPS 針對此耗時的電源供應器設計過程，推出可配置電源模組當作替代方案。

可配置電源模組簡介

MPS 的 mEZDPD3603A 可配置電源模組核心，是高頻率的同步整流降壓轉換器，並且具有 I²C 控制介面、多頁一次性可編程 (OTP) ROM 記憶體，以及 3 A 連續輸出電流能力。此轉換器整合了高側和低側功率 MOSFET、補償網路和回授分頻器。輸出電壓位準、電壓迴轉率、切換頻率、啟用和節能模式，均可透過 I²C 介面進行編程，因此設計人員能依其特定設計對每個輸出進行最佳化。

電流模式操作提供快速的暫態響應，並可輕鬆達到迴路穩定性。全面保護特點包括欠壓鎖定 (UVLO)、過壓保護 (OVP)、過流保護 (OCP) 和過熱保護 (OTP)。

mEZDPD3603A 模組幾乎將工作設計所需的所有周邊元件都加入到此降壓轉換器中 (圖 1)。

圖 1：MPS 的 mEZDPD3603A 模組內部線路圖。設計人員只需要指定輸入 (C_IN) 和輸出 (C_out) 電容的值即可。(圖片來源：MPS)

要完成一個完全運作正常的 DC-DC 降壓穩壓器電源供應器設計，設計人員只需要增添輸入 (C_in) 和輸出 (C_out) 電容即可。從頭開始設計時，計算這些電容的值並不容易，並且會受到輸出電壓、負載、工作週期和電壓漣波的影響；請參閱 DigiKey 技術文章《電容選擇是良好穩壓器設計的關鍵》。但若使用 MPS 模組，製造商已經替設計人員計算好這些數值。最終的選擇只受輸出電壓的影響 (圖 2 和表 1)。

圖 2：在 MPS 的 mEZDPD3603A 典型應用電路中，R2 可用於設定 I²C 位址，以便識別系統中的多個模組。(圖片來源：MPS)

表 1：針對不同輸出電壓，適合圖 2 應用電路的建議電容值。(圖片來源：MPS)

如果要在受到嚴格的電磁干擾 (EMI) 法規規範的產品中使用電源供應器，可以用由三個電容和一個電感組成的 L-C 濾波器電路，來代替輸入電容。如需進一步瞭解輸入和輸出濾波器電路設計，請參閱 DigiKey 技術文章《使用低 EMI 的切換式穩壓器達到最佳化的高效率電源設計》。這些元件的值仍取決於輸出電壓，而製造商同樣有提供答案(圖 3 和表 2)。

圖 3：MPS 的 mEZDPD3603A 應用電路含 EMI 濾波，符合 EN55022 B 類標準。(圖片來源：MPS)

表 2：針對不同輸出電壓，適合以上應用電路的建議元件值。(圖片來源：MPS)

此模組的輸入電壓範圍介於 4.5 V 至 36 V，輸出電壓範圍介於 0.6 V 至 12 V。電壓準確度為 ± 1%，線路和負載調節 (V_IN = 24 V、V_OUT = 5 V) 為 ± 1%。最大電流高達 3 A，輸出電壓漣波 (V_IN = 24 V、V_OUT = 5 V、滿載) 為 30 mV。表 3 統整模組的效能和效率數值，圖 4 則顯示各種效率和負載電流值的 V_OUT。

表 3：MPS 的 mEZDPD3603A 效能參數。(圖片來源：MPS)

圖 4：MPS 的 mEZDPD3603A 在 V_IN = 24 V、V_OUT = 3.3 V、5 V 及 12 V 時的效率數值。(圖片來源：MPS)

可配置電源模組評估套件

由於 MPS 模組包含數位邏輯電路，因此可以透過更改軟體參數來修改工作效能。這些參數需透過模組的 I²C 介面存取，再用此介面詢問和更改元件 RAM 中的設定值。達到所需的最佳設定值後，OTP ROM 記憶體可永久儲存這些設定值。

MPS 提供硬體及軟體工具，可在採用可配置電源模組進行設計時提供支援。主要工具為 PKT-MEZDPD3603A 硬體評估套件。此評估套件尺寸為 64 x 64 mm，含有輸入和輸出電容 (需要時還可選配 EMI 濾波器)，還有一個連接器能讓可配置電源模組插入於此。連接模組後，需要為評估套件連接電源供應器和適當的負載，並提供 4.5 V 至 36 V 的必要輸入電壓 (圖 5)。

圖 5：可配置電源模組評估套件內含模組插槽，且需要外部電源供應器和負載。(圖片來源：MPS)

此評估套件也必須連接電腦，以透過 MPS 的 Virtual Bench V3.0 軟體進行設定。該公司有提供適合此用途的 USB (電腦端) 對 I²C (評估套件端) 轉接卡。USB 纜線可將轉接卡接至電腦，另一側則使用 10 引腳帶狀纜線連接。評估套件的 I²C 介面可直接連接模組的 I²C 引腳，並可透過電腦進行配置 (圖 6)。

圖 6：可配置電源模組評估套件需要電源供應器、負載，並透過 USB 對 I ² C 轉接卡連接電腦。(圖片來源：MPS)

電源模組編程

硬體連接到執行 Windows XP、7 或更高版本的電腦，且在電腦上安裝和啟動 Virtual Bench V3.0 後，開發人員就會看到兩個選項。一個是「Simulation & Program」(模擬和程式)，此選項允許在軟體模擬器上，而不是在評估套件的硬體上執行開發人員的設定。另一個是「Direct Programming Mode」(直接編程模式)。以下將重點討論直接編程選項，因為此選項能讓開發人員直接在評估套件硬體的核心配置模組。

Virtual Bench V3.0 提供兩種配置：基本和進階。在基本配置下，開發人員可以讀取現有的輸出電壓 (V)、電感值 (µH)、切換頻率 (kHz) 和工作模式 (如峰值電流模式) 的設定值。接著，開發人員就能更改這些設定值，並使用修改後的數值對模組的 RAM 進行編程，然後啟動模組以檢查這些變更對效能的影響。

同樣地，設計人員也可在進階標籤頁中詢問及變更詳細效能參數的設定值，如以下分組所示：

• 輕負載模式：可用的模式包括進階非同步調變 (AAM) 和強制連續電流模式 (CCM)。AAM 可在輕負載或空載情況下將轉換器效率最佳化，強制 CCM 則會透過較小的輸出漣波，讓切換頻率保持恆定，但效率比輕負載時的 AAM 低。
• 補償：這些設定值會改變穩壓器的頻率響應，而頻率響應會決定元件的暫態響應、精準度和穩定性，進而在輸入電壓、負載和工作週期變化下決定其保持設定電壓輸出的能力。良好的補償可讓電源供應器在多種頻率範圍內保持穩定，反之過度補償則會造成較差的動態響應。
• 切換：此設定值會改變穩壓器切換時的上升和下降電壓迴轉率，以及頻率顫動時間和振幅。迴轉率和顫動是將 EMI 盡可能降低的重要因素。
• VIN/EN 閾值：這些設定值會決定輸入電壓 UVLO 和 EN 作業的閾值極限和磁滯。
• 電源良好：這些設定值會決定「電源良好」上升閾值的上下限和磁滯。
• SS 時間：軟啟動的設定值。軟啟動可預防穩壓器在開啟輸出時導致輸入過載。
• 保護：這些設定值能讓設計人員實作保護模式和閾值，例如峰值電流、OVP 及 OTP (圖 7)。

圖 7：MPS 的 Virtual Bench GUI 包含可配置模組的進階編程功能，能達到最佳化效能，滿足設計人員的規格要求。(圖片來源：MPS)

設計人員針對應用選定最佳設定值後，這些資訊就會寫入模組內建的 RAM 中。接著，開發人員就可在不同的負載下運行評估套件並檢查其效能。若想達到最佳的電源供應器效能，只要簡單地修改設定值並重新寫入至 RAM 即可。

因為 RAM 是揮發性記憶體，模組一旦關閉，設定值就會遺失。重新啟動後，模組會以原廠預設值啟動。關機前，可先將 RAM 中的資訊匯出到 Virtual Bench，以備日後參考。

確定最佳設定值後，設計人員接著可將這些資訊編程至 OTP ROM 中，如此即可在關機時保留，並在模組下次啟動時使用。雖然評估套件仍允許透過 I²C 介面和 RAM 進一步實驗設定值，但 ROM 首次使用後，就無法再儲存其他設定值。

結論

儘管市面上已推出多種優秀的單晶片穩壓器，但設計人員仍要處理許多工作來設計和測試周邊電路，以便設計針對特定應用發揮最佳效能。MPS 的可配置可編程模組在模組中結合完整的硬體設計以及可編程的數位邏輯，可簡化並加速設計流程。

如本文所示，評估套件搭配電腦 GUI 即可輕鬆進行配置；設計人員可配置基本設定值，如輸出電壓或電流等，並將其餘部分維持原廠預設值，或者進行進階的切換式轉換器設計，將 EMI 和暫態響應降至最低，同時達到最大穩定性和效率。

設計定案後，即可向客戶提供量產但未經編程的模組，以便客戶從原型資料進行配置；或者，如果有提供配置資訊給 MPS，則可在工廠進行模組編程，然後提供立即可用的模組。

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1. 電容選擇是良好穩壓器設計的關鍵.
2. 使用低 EMI 的切換式穩壓器，最佳化高效率的電源設計。
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4. 設計補償器網路以改善切換式穩壓器的頻率響應。
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