多即是少：使用更多穩壓器節省寶貴空間

在設計系統或電路板的配電網路或電源樹時，設計人員通常會在選擇集中式還是分散式設計之間搖擺不定。而這種搖擺現象是因為受到技術和元件的進步，以及設計需求的驅使。當設計人員為了容納其他功能而需要節省空間時，不妨使用附帶其他優點的小型 DC-DC 轉換器。

這些小型 DC-DC 單元具有額外的優勢，包括能讓設計人員靈活地重新評估電源樹拓撲、在較少限制下重新評估對板佈局的衝擊、提升效能和效率，以及節省總體空間。

本文將探討超小型 DC-DC 轉換器的角色，然後介紹範例元件其及最佳應用方式。

為什麼改用超小型轉換器？

小型降壓 (降壓模式) DC-DC 電源轉換器的出現反映出趨勢的轉變，以往會使用較大的中間匯流排轉換器 (IBC) 為相對較大的負載點 (POL) 轉換器供電，再藉此供電給由多個 IC 組成的相對較大型子系統。

但是如今，設計人員可以選擇使用高度分散、體積小巧的轉換器，並且可以直接放在負載旁，而此此負載可以由單一 IC 及支援元件組成即可。

使用這些高度分散 DC-DC 轉換器的理由有兩個。首先，全新的微型元件、更高的工作頻率 (進入 MHz 頻率範圍)、先進的製造技術，以及增強的封裝，促成這些容易使用的 DC-DC 單元並具備亮眼的效能。其次，以此種方式實現電軌還可為電路設計、整體電路板佈局以及終端產品帶來諸多大大小小的優點。

此外，雖然看似有違直覺，但使用多個小型轉換器實際上可以減少電源子系統的總覆蓋區、節省 PC 電路板空間，並讓設計人員有機會增添特色與功能。

瞭解具體細節

瞭解與這些轉換器相關的效能與尺寸規格相當有意思。舉例來說，Texas Instruments 的 LMZ10501「奈米」模組屬於降壓 DC-DC 轉換器，可驅動高達 1 A 的負載 (圖 1)。

圖 1：Texas Instruments 的 LMZ10501 DC-DC 轉換器可供應高達 1 A 的電力且效率高達 95%。(圖片來源：Texas Instruments)

儘管該轉換器的輸出額定值如此之高，但依然是名符其實的「奈米」級產品，其採用尺寸為 3.00 mm × 2.60 mm 的 8 引腳 µSIP 封裝，其中還包含電感元件 (圖 2)。

圖 2：LMZ10501 DC-DC 穩壓器採用尺寸為 3.00 mm × 2.60 mm 的 µSIP 封裝，其中還包含電感元件。底視圖顯示觸點 (左)；頂視圖則顯示電感 (右)。(圖片來源：Texas Instruments)

LMZ10501 並非簡易型元件，含有基於內部電流限制的軟啟動功能以及電流過載保護和熱關斷功能。此元件僅需要輸入電容、輸出電容、小型 V_CON 濾波器電容及兩個電阻，即可在典型應用中進行基本操作 (圖 3)。一體式電感在高達 2 A 的「軟」飽和電流曲線支援下，具有 1.2 A_DC 的直流電流額定值。

圖 3：LMZ10501 僅需三個小電容和兩個電阻便能運作；相對較大的電感則是 IC 本身的一部分。(圖片來源：Texas Instruments)

選擇外部電容時需要謹慎考量。若想在尺寸、成本、可靠性和效能之間取得最佳平衡點，輸入和輸出濾波器皆須採用低 ESR 的 MLCC 元件。使用單一個額定值為 6.3 或 10 V 的 10 μF 電容 (尺寸為 0603 或 0805) 通常就足以當作 V_IN 的旁路；此外，也可以使用多個 4.7 μF 或 2.2 μF 的電容。

請注意，選擇數值過小的電容會因為迴路相位容限較低而導致不穩定。相較之下，若輸出電容太大，則會妨礙輸出電壓達到啟動程序結束時要求的 0.375 V 電壓值。若使用大於建議值的數值，並沒有顯著的益處。

瞭解尺寸的影響

由於覆蓋區如此之小，設計人員可以重新思考並尋找新的方法，將電力傳遞到各種 IC 和其他元件。此 µSIP 可讓最終階段的穩壓在負載旁進行，而無需將較大的電源放在距離偏遠的位置 (如 PC 板的角落)。此元件還有額外的優點，能與標準的拾放機器及焊台完全相容。

使用多個小型單元為何能節省空間？答案既有顯而易見之處，也有不那麼明顯的地方：

• 這些單元可減少上游電源端對高值、大型大容量電容的需求，因為絕大多數的穩壓工作都已在負載端完成。
• 這些單元能讓設計人員根據上游 DC-DC 或 AC/DC 電源裝置的負載特性量身打造最終的 DC 軌道 (或電軌)。
• 由於此 DC 軌道的位置接近負載，因而在電軌上使用小型旁路電容的需求得以降低。實際上，負載端的超小型 DC-DC 轉換器不僅能提供所需的電力，還可發揮旁路電容部分或全部的作用。
• 位置相近，因此可改善暫態響應。
• 這些轉換器的尺寸可個別進行調整，以在最佳的負載和效率窗口下運作。這不僅能提升整體效率、在更大面積下分散適度散熱效果，甚至無需使用風扇或散熱片。
• 這些元件很薄，甚至可以放在 PC 板的底部，即便板件是在間隔緊密的機架或薄外殼內，也沒有問題。如此可增加佈局的靈活性，從而節省空間。
• 「多雜訊」IC 與靈敏 IC 間的串音和雜訊會大幅減少。
• 雖然這些轉換器並未電氣隔離，但如果需要小型的隔離式轉換器，僅需針對隔離功能調整尺寸即可。
• 最後，這些轉換器可降低對大範圍電路板走線的需求，即可減少 IR 壓降以及 DC 軌道上的寄生效應，以免影響負載端的暫態效能。

請注意，這些小型 DC-DC 轉換器並不限於 1 A 以下的負載。舉例來說，TPS82130 MicroSiP™ 電源模組同屬 Texas Instruments 的產品，在內部整合同步降壓轉換器和電感，能以 3 V 至 17 V 的輸入提供 3 A 的輸出電流，並提供可在 0.9 V 至 6 V 間調整的輸出電壓 (圖 4)。

圖 4：Texas Instruments 的 TPS82130 DC-DC 模組僅需要少許外部被動元件，便可從 3 V 至 17 V 的 DC 輸入，在 0.9 V 至 6 V 的電壓 (使用者可調整) 下實現高達 3 A 的電流。(圖片來源：Texas Instruments)

請勿讓此處所用的「模組」名稱所誤導，此元件的尺寸僅有 3.0 mm × 2.8 mm × 1.5 mm。檢視相關的效能曲線即可發現，整體高效率峰值出現在稍稍超過 1 A 的位置，並且一直到 3 A 的完整額定值都維持在高效率 (圖 5)。

圖 5：TPS82130 DC-DC 在較高負載下運作時的效率約為 60% 或更高，並在超過 1 A 時達到峰值，因此可調整尺寸以達到最佳的負載匹配。(圖片來源：Texas Instruments)

解決相對計時問題

若系統擁有多個電軌，彼此之間往往會有與啟動／關閉計時相關的問題。計時共有三種基本類型：循序、比例式以及同步，而且每種類型中還有多種不同的款式。任何一種類型都能使用 TPS82130 的致能 (EN) 引腳和軟啟動／追蹤 (SS/TR) 引腳，搭配一些電阻和／或電容來實作 (為了簡化起見，假設僅有兩個電軌)。

在循序計時中，第二個元件僅會在第一個

元件達到穩壓之後才會開啟 (圖 6)。

圖 6：可將多個 TPS82130 單元設定成循序計時，如此一來左側穩壓器啟動後，才會啟動右側穩壓器。請注意：雖然圖中的 IC 標示為 TPS62130，但是 TPS82130 的規格已提升，而功能與引腳配置仍相同。(圖片來源：Texas Instruments)

在比例式計時中，兩個輸出電壓會同時開始，並同時達到穩壓 (圖 7)。之所以稱為「比例式」計時，是因為這兩個電壓通常都不同，因此兩者的 dV/dt 斜率也不同，但兩者間會呈現出常數因子的關係。

圖 7：在比例式計時的設定中 (左)，第二個電壓上升開始及結束的時間，與第一個電壓一樣，且兩者之間呈固定比例 (右)。(圖片來源：Texas Instruments)

最後，在同步啟動中，兩個輸出電壓的斜率都相同，因此電壓會在不同時間達到穩壓 (圖 8)。

圖 8：在同步模式中，兩個電壓同時開始上升，但各自在不同的時間達到穩壓。(圖片來源：Texas Instruments)

除了相對啟動順序之外，還要考量「軟啟動」(電源開啟時的電壓上升速率)，以及實際軌道電壓彼此間的相對追蹤問題。TPS82130 也針對此問題透過 SS/TR 連接提供解決之道。

如何利用新騰出的空間？

有相當多種方式可利用「目前可用」空間，但應根據應用的優先考量來選擇正確的方式。對許多設計來說，首先要考慮的是改善電氣與機械耐用性，這是空間擁擠時常常被「犧牲」的部份。

或許可在向來脆弱的 I/O 線路上，新添電源供應器夾鉗和消弧電路、暫態電壓抑制器以及反轉極性保護裝置。從機械方面來說，增添額外的電路板支撐和定位螺絲、固定裝置、電池夾或其他改進結構的裝置都是妥善利用空間的好方法。

接下來，應該考慮增加其他實用的能力或功能。或許現在有足夠的空間可容納略大的電池、更大的顯示器及驅動器 IC、更多 LED 指示燈，甚至增加使用者按鈕數量。又或許可以選擇使用更大的記憶體，即便需要搭配更大的 IC 封裝。採用這些小型局部 DC-DC 轉換器可騰出的適度空間，或許已足以成就更多優勢，隨著電路板佈局的靈活性增加，效果更為顯著。

結論

令人出乎意料的是，有時候少即是多。有了超小型 DC-DC 降壓轉換器，便能在非常靠近負載的地方實現穩壓功能，這對電氣效能、電路板佈局、上游電源裝置的尺寸與類型以及熱圖，都會產生漣漪效應。

採用超小型轉換器衍生的效應之一在於，設計的固定封裝內會騰出更多的電路板空間，因此能夠改善其他電氣與機械效能，並添加新的特色與功能。

參考資料

1. Texas Instruments, SLVA470A, “Sequencing and Tracking with the TPS621-Family and TPS821-Family”