【導(dǎo)讀】一個(gè)電子系統(tǒng)的運(yùn)行少不了高效、可靠電源系統(tǒng)的加持。將來自不同電源（如市電和電池）的能量轉(zhuǎn)換為電子電路中各種負(fù)載所需的電源軌，需要合理使用各種元器件構(gòu)建起一個(gè)完整的電源架構(gòu)，這也就是“電源管理”所要完成的工作。
眾所周知，根據(jù)電能轉(zhuǎn)換的需求，電源管理包括三個(gè)主要的場景：交流轉(zhuǎn)直流（AC-DC）、直流轉(zhuǎn)直流（DC-DC）以及直流轉(zhuǎn)交流（逆變），其中DC-DC的應(yīng)用應(yīng)該是尤為廣泛的。
DC-DC轉(zhuǎn)換器（或者叫穩(wěn)壓器）一般由控制電路、開關(guān)管（二極管或三極管）、電感線圈、電容等元器件構(gòu)成，其根據(jù)反饋電路提供的信號，通過控制開關(guān)器件的“開關(guān)”動(dòng)作將輸出電壓穩(wěn)定在所需的電壓水平上，因此也被稱為“DC-DC開關(guān)電源”以區(qū)別于其他的穩(wěn)壓電路。
采用不同的DC-DC開關(guān)電源拓?fù)洌梢詫?shí)現(xiàn)降壓、升壓和升降壓三類操作，其中尤以降壓DC-DC的應(yīng)用場景更為豐富——凡是所需電壓低于系統(tǒng)中的可用電壓時(shí)，都會(huì)使用到降壓轉(zhuǎn)換器；在一些更復(fù)雜的配電架構(gòu)中，還會(huì)采用多次DC-DC降壓轉(zhuǎn)換操作以達(dá)到提高效率、簡化系統(tǒng)的目的。
今天，我們就來重點(diǎn)聊聊降壓DC-DC電源管理器件應(yīng)該如何選。
不同的降壓DC-DC類型
由于是進(jìn)行降壓轉(zhuǎn)換，因此電源設(shè)計(jì)時(shí)，降壓DC-DC經(jīng)常會(huì)被拿來與線性穩(wěn)壓電源（LDO）進(jìn)行比較。相較而言，LDO電路簡單、成本較低，同時(shí)具有負(fù)載響應(yīng)快、輸出紋波小、噪聲小等特點(diǎn)；而降壓DC-DC則在高效率、支持更寬的輸入工作電壓和更大的壓降、支持更大的電流和功率、輸出電壓靈活可調(diào)等方面獨(dú)具優(yōu)勢。
因此在做具體技術(shù)選型時(shí)，需要在效率、成本、噪聲、性能等方面綜合評估，做出正確的決策。有時(shí)，也可以綜合兩者的優(yōu)點(diǎn)，在電源設(shè)計(jì)時(shí)搭配使用，比如為了提高開關(guān)DC-DC的精度，克服其噪聲大的短板，會(huì)通過在DC-DC后端加入LDO來做優(yōu)化。
但總體來講，降壓DC-DC器件的應(yīng)用更為廣泛，產(chǎn)品的類型也更多樣化，這使得工程師在做元器件選型時(shí)要多花費(fèi)心思，對不同類型的降壓DC-DC轉(zhuǎn)化器進(jìn)行仔細(xì)地評估。
在選型之前，需要對降壓DC-DC器件的種類有一個(gè)比較清新的認(rèn)知。按照不同的維度，降壓DC-DC通常可以被劃分為不同的類型。
電壓調(diào)制方式
降壓DC-DC按照其控制方式的差異可分為PFM（脈沖頻率調(diào)制）和PWM（脈沖寬度調(diào)制）兩種類型。
PFM的工作原理是：保持固定的開關(guān)脈沖寬度，通過改變脈沖輸出的頻率來調(diào)整和控制輸出電壓并使其以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是在輕負(fù)載時(shí)具有較高的效率（由于輕負(fù)載時(shí)無需增加功率，開關(guān)頻率變低，開關(guān)損耗減少），而缺點(diǎn)則是變化的頻率使得通過濾波消除噪聲難以實(shí)現(xiàn)，容易對其他電路造成干擾。
PWM顧名思義，是指開關(guān)脈沖的頻率一定，通過改變脈沖輸出寬度對輸出電壓進(jìn)行控制的方法，其具有更好的輸出電壓紋波和噪聲，不過由于頻率恒定，重負(fù)載時(shí)和輕負(fù)載時(shí)的開關(guān)次數(shù)都相同，因此輕負(fù)載時(shí)開關(guān)損耗相對較高。
也有一些電源管理器件綜合了兩種控制方式的優(yōu)點(diǎn)，在重載和穩(wěn)定狀態(tài)下采用PWM方式，而輕載時(shí)則切換到PFM方式，這無疑對電源系統(tǒng)整體性能的提升大有裨益。具體應(yīng)用中該選擇何種控制方法，要根據(jù)設(shè)計(jì)需求進(jìn)行仔細(xì)權(quán)衡。
輸出反饋方式
降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器為了維持電壓穩(wěn)定，會(huì)將輸出反饋至控制電路。按照輸出反饋的方式，可將其分為電壓模式控制、電流模式控制和遲滯控制三種類型。
在電壓模式下，反饋環(huán)路反饋的是輸出電壓信號，這也是基本方式。其優(yōu)點(diǎn)在于控制簡單、抗噪性好、導(dǎo)通（ON）時(shí)間短；缺點(diǎn)則是相位補(bǔ)償電路比較復(fù)雜。
在對電壓模式控制優(yōu)化的基礎(chǔ)上，誕生了電流模式控制，其設(shè)計(jì)思路是以檢測電路電感或晶體管電流的方法取代電壓信號的采集，與電壓模式相比，具有穩(wěn)定性高、相位補(bǔ)償電路簡單、負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)勢；而其缺點(diǎn)是電流檢測較為敏感，因此設(shè)計(jì)時(shí)對于反饋環(huán)路的噪聲處理有更高的要求。
遲滯控制是針對CPU、FPGA等對高速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)有更高要求的電源應(yīng)用而開發(fā)的一種輸出反饋方式，其優(yōu)點(diǎn)是瞬態(tài)響應(yīng)極為迅速、反饋環(huán)路的穩(wěn)定性高、無須相位補(bǔ)償；而缺點(diǎn)則是，開關(guān)頻率會(huì)產(chǎn)生變動(dòng)、抖動(dòng)大，以及需要ESR較大的電容器檢測紋波。
變壓整流方式
除了上面提到的電壓調(diào)制和輸出反饋方式的不同，降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器在變壓器整流方式上還有異步整流和同步整流的區(qū)別。
異步整流，是指在電路中是通過上側(cè)晶體管的開關(guān)，控制下側(cè)整流二極管的導(dǎo)通/關(guān)斷，使電流流向或不流向二極管。這種方式電路簡單且比較牢靠，在工業(yè)設(shè)備等應(yīng)用中廣泛采用。
同步整流與異步整流方式主要的區(qū)別在于，將異步整流架構(gòu)中的下側(cè)二極管換成了晶體管，因此可以有效降低輸出端開關(guān)的損耗，實(shí)現(xiàn)更高的效率，但由于需要確保上下兩側(cè)晶體管的同步性，電路會(huì)更為復(fù)雜。
可見，不同類型的降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器都有各自的優(yōu)勢和短板，充分了解這些特性，才能夠根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需求做出正確的選擇。
降壓DC-DC關(guān)鍵參數(shù)解讀
在了解了降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器類型之后，作為選型的重要一步，就是要對器件的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行仔細(xì)地查閱，以確定其是否滿足設(shè)計(jì)規(guī)格的要求。歸納起來，以下這些參數(shù)需要我們在降壓DC-DC選型時(shí)特別關(guān)注。
1 輸入/輸出電壓
這是降壓DC-DC的基本參數(shù)，決定了其是否滿足電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)的要求。較寬的輸入電壓范圍以及靈活可調(diào)的輸出電壓，是一款設(shè)計(jì)優(yōu)秀的降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器必備的特性。
2 輸出電流
降壓DC-DC持續(xù)的輸出電流能力決定了其可以提供的功率大小，也是一個(gè)重要的參數(shù)。選型時(shí)要保留足夠的余量，以避免電流過大對器件造成的損壞。
3 效率
效率是降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢，也是衡量其性能的一個(gè)硬指標(biāo)，很多設(shè)計(jì)上的優(yōu)化最終都是服務(wù)于效率的提升。需要注意的是，選型時(shí)要同時(shí)關(guān)注輕載和重載兩種情況下的效率表現(xiàn)。
4 開關(guān)頻率
較高的開關(guān)頻率通常意味著在電路中可以使用較小的輸出電容器和電感器等外圍元件，對于設(shè)計(jì)的小型化更為有利。不過較高頻率也會(huì)帶來更大的開關(guān)損耗和噪聲問題，需要仔細(xì)應(yīng)對。
5 瞬態(tài)響應(yīng)
該特性反應(yīng)在負(fù)載劇烈變化時(shí)，系統(tǒng)是否能夠及時(shí)調(diào)整并確保輸出電壓的穩(wěn)定。降壓DC-DC器件自身的架構(gòu)及輸出電容性能（容值和ESR）都會(huì)對瞬態(tài)響應(yīng)性能產(chǎn)生影響。
6 輸出紋波
這是衡量降壓DC-DC輸出電壓波動(dòng)的重要參數(shù)，也是穩(wěn)壓質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，一般情況下輕載紋波要更大。
7 線性穩(wěn)定度和負(fù)載穩(wěn)定度
線性穩(wěn)定度是指輸入電壓變化時(shí)輸出電壓的穩(wěn)定性，而負(fù)載穩(wěn)定度則反應(yīng)輸出負(fù)載變化時(shí)輸出電壓的穩(wěn)定性，它們以百分比表示，數(shù)字自然是越小越好。
8 靜態(tài)電流
所謂靜態(tài)電流是指降壓DC-DC在空載時(shí)由各模擬電路子模塊產(chǎn)生的電流，它會(huì)帶來靜態(tài)損耗，因此靜態(tài)電流的降低對于效率的提升十分關(guān)鍵。能否將靜態(tài)電流降下來，也是電源管理IC廠商設(shè)計(jì)和工藝水平的試金石。
9 保護(hù)功能
在設(shè)計(jì)中集成OCP過流保護(hù)、OTP過熱保護(hù)等功能，是確保降壓DC-DC可靠穩(wěn)定工作的重要一環(huán)，這些保護(hù)功能通常由特定的外部條件觸發(fā)，并在條件消失時(shí)能自恢復(fù)。
10 EMI抑制
開關(guān)控制的工作模式?jīng)Q定了降壓DC-DC會(huì)產(chǎn)生更多的噪聲，因此在一些噪聲敏感型的應(yīng)用中，必須要考慮加入有效抑制EMI的措施。
理解了上述這些參數(shù)，也就掌握了降壓DC-DC器件選型的關(guān)鍵要領(lǐng)。以此為據(jù)，將器件的特性與設(shè)計(jì)需求進(jìn)行比照，應(yīng)該就能很快鎖定想要的那顆料。
打造理想的降壓DC-DC器件
經(jīng)過多年的發(fā)展，降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器IC的技術(shù)已經(jīng)十分成熟，在系統(tǒng)架構(gòu)、控制方式等大方向上保持穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，相關(guān)電源管理芯片廠商的角力主要集中在對器件的“精雕細(xì)琢”上，特別是要針對特定應(yīng)用，平衡各個(gè)方面的性能表現(xiàn)，以打造出理想的降壓DC-DC解決方案。
Analog Devices（ADI）公司的MAX25255同步降壓轉(zhuǎn)換器就是按照這樣的目標(biāo)而打造的同步降壓轉(zhuǎn)換器。這是一款雙路降壓轉(zhuǎn)換器，集成了高側(cè)和低側(cè)開關(guān)，每通道可提供高達(dá)8A電流，支持3V至36V很寬的輸入電壓范圍，輸出電壓則在0.8V至14V間可編程調(diào)整。
圖1：MAX25255同步降壓轉(zhuǎn)換器
（圖源：ADI）
MAX25255提供5V和3.3V兩種固定輸出電壓，四種固定頻率選項(xiàng)（200kHz、400kHz、1MHz或2MHz），使其可使用小型外部元件，減少輸出紋波，并保證無AM干擾。如果啟用擴(kuò)頻功能，還可以獲得更佳的EMI性能。
該器件在輕負(fù)載下可進(jìn)入跳躍模式（Skip Mode），空載時(shí)具有12μA的超低靜態(tài)電流，因此能夠提供十分出色的功耗和效率表現(xiàn)。
MAX25255中的兩個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器可以配置為雙相操作，這時(shí)輸出負(fù)載能力高達(dá)16A。此外，該器件還可以并聯(lián)使用，以支持高達(dá)32A輸出電流的四相操作，這提供了很好的設(shè)計(jì)可擴(kuò)展性。
該降壓轉(zhuǎn)換器可通過觀察PGOOD信號監(jiān)控電壓質(zhì)量，還具有診斷和冗余電路、裸片溫度監(jiān)控器、精密欠壓和過壓保護(hù)功能，并且符合ASIL B要求，這使其成為了汽車和工業(yè)應(yīng)用的理想選擇。
圖2：MAX25255同步降壓轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)框圖
（圖源：ADI）
ADI另一款值得推薦的DC-DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品是MAX25262 / MAX25263汽車級微型降壓轉(zhuǎn)換器。其同樣是具有很高的集成度，分別提供高達(dá)2A / 3A的輸出電流，支持3.5V至65V的寬輸入電壓范圍，空載時(shí)的靜態(tài)電流更是低至3.5μA，且具備一系列可靠的保護(hù)功能。特別值得一提的是，該器件采用小型化的封裝，更適合于空間有限的應(yīng)用。
圖3：MAX25262/MAX25263汽車級微型降壓轉(zhuǎn)換器
（圖源：ADI）
MAX25262 / MAX25263提供兩個(gè)5V和3.3V固定輸出電壓，使用外部電阻分壓器可配置為1V至20V輸出電壓。其具有快至20ns的導(dǎo)通時(shí)間，可在單級中實(shí)現(xiàn)大幅度的降壓轉(zhuǎn)換，沒有跳躍周期。其占空比可達(dá)98%，高側(cè)FET導(dǎo)通電阻低，因此可在低輸入電壓應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)低壓差運(yùn)行。
2.1MHz的固定開關(guān)頻率，使得該降壓轉(zhuǎn)換器可支持小型外部元件、減少輸出紋波并保證無AM干擾；而400KHz選項(xiàng)則可提供更低的開關(guān)損耗和高效率。該器件在輕負(fù)載時(shí)也是可以進(jìn)入跳躍模式，以便在FSYNC拉低時(shí)實(shí)現(xiàn)較高的輕負(fù)載效率。同時(shí)，該轉(zhuǎn)換器還可提供引腳可選PWM模式，用于EMI關(guān)鍵型應(yīng)用，并也可提供擴(kuò)頻選型。
可見，MAX25262 / MAX25263通過整合多種技術(shù)，應(yīng)對不同應(yīng)用場景下的設(shè)計(jì)需求，也使得器件的綜合性能得以提升。由于符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)，該降壓轉(zhuǎn)換器成為了很多汽車電源管理應(yīng)用的不二之選。
圖4：MAX25262 / MAX25263汽車級微型降壓轉(zhuǎn)換器框圖（圖源：ADI）
追求更高的集成度
除了追求綜合性能上的穩(wěn)步提升，降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)技術(shù)演進(jìn)維度就是不斷提升器件的集成度，追求設(shè)計(jì)的輕量化和小型化。這也就催生了降壓DC-DC模塊。
這類電源模塊通常采用SiP的方式，將DC-DC控制器、功率晶體管、輸入和輸出電容、補(bǔ)償組件以及電感等磁性元件，集成在一個(gè)小型化的封裝內(nèi)，可進(jìn)一步壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)的尺寸。由于模塊產(chǎn)品性能經(jīng)過了精密的調(diào)校、嚴(yán)格的測試和驗(yàn)證，因此能夠大大簡化整個(gè)電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并滿足高可靠性的設(shè)計(jì)要求。
ADI公司的μModule穩(wěn)壓器系列就是這樣的高集成度電源模塊解決方案，能夠在滿足開發(fā)時(shí)間和設(shè)計(jì)空間限制的同時(shí)，提供高效率、高可靠性。
圖5：高集成度的μModule穩(wěn)壓器架構(gòu)示意圖
（圖源：ADI）
圖6：μModule穩(wěn)壓器模塊與其他DC-DC轉(zhuǎn)換器架構(gòu)的比較（圖源：ADI）
在μModule穩(wěn)壓器系列中，LTM4652是一款很出色的降壓DC-DC電源模塊。其具有拉/灌雙路±25A或單路±50A輸出開關(guān)模式，以及±1.5%總直流輸出誤差。該穩(wěn)壓器模塊的輸入電壓范圍為4.5V至18V，支持兩路輸出，每個(gè)輸出可支持高達(dá)±25A連續(xù)電流，輸出電壓范圍為0.6V至7.5V，均由單個(gè)外部電阻器設(shè)置。
圖7：LTM4652 μModule穩(wěn)壓器
（圖源：ADI）
LTM4652穩(wěn)壓器具有輸入/輸出過壓和雙向過流保護(hù)等故障保護(hù)功能。可調(diào)控制環(huán)路補(bǔ)償使其能夠?qū)崿F(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)，以便在為FPGA、ASIC和處理器供電時(shí)將輸出電容降至最小。
由于在16mm x 16 mm x 4.92mm的緊湊BGA封裝中集成了開關(guān)控制器、功率MOSFET、電感器和所有支持元件，因此LTM4652僅需少量輸入和輸出電容器，即可完成電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這種“拿來即用”的開發(fā)體驗(yàn)頗受電源工程師的青睞。
圖8：LTM4652 μModule穩(wěn)壓器應(yīng)用框圖
（圖源：ADI）
本文小結(jié)
憑借著效率高、輸入電壓范圍寬、輸出電流/功率大、輸出電壓靈活可調(diào)等方面的優(yōu)勢，降壓DC-DC應(yīng)用極為廣泛，可以說是無處不在。同時(shí)，技術(shù)的進(jìn)步也在推動(dòng)降壓DC-DC在集成度和綜合性能方面不斷提升，持續(xù)補(bǔ)齊在設(shè)計(jì)復(fù)雜性、噪聲干擾等方面的短板。
作為這些努力的“結(jié)晶”，市場上的降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器IC和模塊產(chǎn)品也在不斷迭代更新，創(chuàng)新的解決方案也是層出不窮。本文中介紹的幾款A(yù)DI降壓DC-DC器件就是其中的代表作，它們的出現(xiàn)也讓電源系統(tǒng)的開發(fā)體驗(yàn)煥然一新。以這些器件為藍(lán)本，去選擇理想的降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，準(zhǔn)沒錯(cuò)！
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