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開(kāi)關(guān)式 DC-DC 穩壓器為電源帶來(lái)高效率。雖然市面上有各種優(yōu)質(zhì)的單片穩壓器可供選擇，但每款產(chǎn)品的設計都是為了滿(mǎn)足不同應用的需求，而不符合工程師個(gè)人的獨特設計規格�；蛘哒f(shuō)，針對特定應用優(yōu)化電源需要耗時(shí)且昂貴的設計迭代。 設計人員需要一個(gè)與電源供應商交互的 Web 界面，讓他們能夠使用所需的性能參數來(lái)配置電源設計，然后在敲定設計后，供應商再批量供貨。 本文介紹了使用可配置電源模塊完成此類(lèi)設計流程的情況。具體來(lái)說(shuō)，本文將介紹如何利用 MPS 評估套件 (EK) 和基于 Web 的軟件來(lái)加速簡(jiǎn)單或高級 DC-DC 轉換器設計的設計過(guò)程。 DC-DC 轉換器設計入門(mén) 要從頭開(kāi)始設計一款降壓開(kāi)關(guān)穩壓器完全沒(méi)問(wèn)題，而且使用相對較少的元器件。例如，基本設計包括一個(gè)晶體管（本質(zhì)上用作開(kāi)關(guān)）、一個(gè)二極管、一個(gè)電感器、一個(gè)跨輸出端的電容和另一個(gè)跨輸入端的電容。然而，對于實(shí)際解決方案，可能還需要其他一些元器件，包括電壓基準、誤差放大器、比較器、振蕩器和開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器。但很少有工程師選擇采用分立元器件的設計路線(xiàn)，因為市面上有大量高度集成的單片 DC-DC 穩壓器可供選擇，它們經(jīng)過(guò)驗證且價(jià)格低廉。 根據輸入輸出電壓、最大負載電流和最大電壓紋波等規格要求，以及對高級設計產(chǎn)生作用的效率、瞬態(tài)響應和頻率響應等因素，選擇一款成熟供應商的穩壓器往往比較容易。雖然芯片制造商確實(shí)提供了一系列令人印象深刻的解決方案，可以滿(mǎn)足大部分規格的要求，但無(wú)法提供完美符合每一種可能情況的器件。設計人員還有一些工作要做。 工作量取決于單片解決方案的集成程度，但低電流（10 A 以下）設計通常的著(zhù)手點(diǎn)是集成了脈沖寬度調制 (PWM) 控制器、開(kāi)關(guān)元件（MOSFET 功率晶體管）和旁路二極管的芯片，讓設計人員指定輸入和輸出濾波電路所需的外部電感器、旁路電容器和其他無(wú)源元件。 雖然制造商和其他來(lái)源（包括下面的推薦閱讀清單）提供了許多關(guān)于如何基于單片穩壓器設計電源的信息，但這仍然是一個(gè)棘手而繁瑣的過(guò)程，會(huì )涉及計算，然后是數個(gè)周期的硬件原型開(kāi)發(fā)，用以了解理論電路的實(shí)際表現，隨后進(jìn)行調整以精確滿(mǎn)足規格要求。 MPS 提供的可配置電源模塊，為這種耗時(shí)的電源設計過(guò)程提供了另一條途徑。 可配置電源模塊簡(jiǎn)介 MPS mEZDPD3603A 可配置電源模塊的核心是一個(gè)高頻、同步、整流、降壓轉換器，帶有 I2C 控制接口和多頁(yè)一次性可編程 (OTP) ROM 存儲器，具備 3 A 連續輸出電流能力。該轉換器集成了高壓側和低壓側功率 MOSFET、補償網(wǎng)絡(luò )和反饋分壓器。輸出電壓電平、電壓壓擺率、開(kāi)關(guān)頻率、使能和省電模式均可通過(guò) I2C 接口編程，使設計人員能夠針對特定設計優(yōu)化每個(gè)輸出。 電流模式運行具有快速、瞬態(tài)響應能力，能輕松實(shí)現環(huán)路穩定。全保護功能包括欠壓鎖定 (UVLO)、過(guò)壓保護 (OVP)、過(guò)流保護 (OCP) 和過(guò)熱保護 (OTP)。 mEZDPD3603A 模塊將工作設計所需的幾乎所有外圍元器件都加入到此降壓轉換器中（圖 1）。 
圖 1：MPS mEZDPD3603A 模塊內部原理圖。設計人員只需要指定輸入 (CIN) 和輸出 (COUT) 電容器的值。（圖片來(lái)源：MPS） 設計人員只需增加輸入 (CIN) 和輸出 (COUT) 電容器，即可完成一款全功能 DC-DC 降壓穩壓器電源的設計。從頭設計時(shí)，計算這些電容器的值并不簡(jiǎn)單，并且受輸出電壓、負載、占空比和電壓紋波的影響（請參見(jiàn) Digi-Key 技術(shù)文章“電容器選擇是良好穩壓器設計的關(guān)鍵”）。但如果使用 MPS 模塊，制造商已經(jīng)為設計人員計算好數值。最終選擇僅受輸出電壓影響（圖 2 和表 1）。
圖 2: 在 MPS mEZDPD3603A 典型應用電路中，R2 用于設置 I2C 地址，以允許識別系統中的多個(gè)模塊。（圖片來(lái)源：MPS）
表 1：不同輸出電壓下，圖 2 所示應用電路的推薦電容值。（圖片來(lái)源：MPS） 如果要在嚴格電磁干擾 (EMI) 法規所涵蓋的產(chǎn)品中使用電源，可以用由三個(gè)電容器和一個(gè)電感器組成的 L-C 濾波電路代替輸入電容器。（有關(guān)輸入和輸出濾波電路設計的更多信息，請參見(jiàn) Digi-Key 技術(shù)文章“使用低 EMI 開(kāi)關(guān)穩壓器優(yōu)化高效率電源設計”。）這些元器件的值仍取決于輸出電壓，而制造商再一次給出了答案。（圖 3 和表 2）
圖 3: 帶 EMI 濾波功能以符合 EN55022 B 類(lèi)標準的 MPS mEZDPD3603A 應用電路。（圖片來(lái)源：MPS）
表 2：不同輸出電壓下，上述應用電路的推薦元器件值。（圖片來(lái)源：MPS） 該模塊提供 4.5 至 36 V 的輸入電壓范圍和 0.6 至 12 V 的輸出。電壓精度為 ±1%，線(xiàn)路和負載調整率（VIN = 24 V，VOUT = 5）為 ±1%。最大電流高達 3 A，輸出電壓紋波（VIN = 24 V，VOUT = 5 V，滿(mǎn)載）為 30 毫伏 (mV)。表 3 總結了該模塊的性能和效率數據，圖 4 顯示了不同效率和負載電流值的 VOUT。
表 3：MPS mEZDPD3603A 性能參數。（圖片來(lái)源：MPS）
圖 4：MPS mEZDPD3603A 在 VIN = 24 V 及 VOUT = 3.3、5 和 12 V 時(shí)的效率數據。（圖片來(lái)源：MPS） 可配置電源模塊評估套件 由于 MPS 模塊包含數字邏輯電路，因此可以通過(guò)更改軟件參數來(lái)修改其工作性能。參數訪(fǎng)問(wèn)通過(guò)模塊的 I2C 接口來(lái)實(shí)現，從該接口可以查詢(xún)和更改器件 RAM 中的設置。達到所需的最佳設置后，OTP ROM 存儲器可以永久存儲這些設置。 MPS 提供了硬件和軟件工具來(lái)支持采用該可配置電源模塊的設計。主要工具是 PKT-MEZDPD3603A 硬件 EK。該 EK 的尺寸為 64 × 64 毫米 (mm)，包括輸入和輸出電容器（如果需要，還可選配 EMI 濾波器），以及一個(gè)用于插入可配置電源模塊的連接器。連接模塊后，需要為 EK 連接適當的負載和提供所需輸入電壓（4.5 至 36 V）的電源（圖 5）。
圖 5：可配置電源模塊評估套件包括模塊插口，且需要外部電源和負載。（圖片來(lái)源：MPS） 該 EK 還需要連接到 PC，以便從 MPS 的 Virtual Bench V3.0 軟件進(jìn)行配置。為此，該公司提供一個(gè) USB（PC 端）轉 I2C （EK 端）適配器。USB 電纜將適配器連接到 PC，另一側則使用 10 針帶狀電纜連接。EK 的 I2C 接口直接連接到模塊的 I2C 引腳，并可從 PC 進(jìn)行配置（圖 6）。
圖 6：可配置電源模塊 EK 需要電源、負載，并通過(guò) USB 轉 I2C 適配器連接至 PC。（圖片來(lái)源：MPS） 電源模塊編程 將硬件連接至 PC（運行 Windows XP、7 或更高版本）并且計算機上安裝并啟動(dòng) Virtual Bench V3.0 后，開(kāi)發(fā)人員將看到兩個(gè)選項：一個(gè)是“Simulation & Program”（仿真和程序），此選項允許開(kāi)發(fā)人員的配置在軟件仿真器上而不是 EK 硬件上運行；另一個(gè)是“Direct Programming Mode”（直接編程模式）。下文將重點(diǎn)討論直接編程選項，因為它讓開(kāi)發(fā)人員能夠直接在 EK 硬件的核心配置模塊。 Virtual Bench V3.0 提供了兩種配置：基本配置和高級配置。在 Basic（基本）配置下，開(kāi)發(fā)人員可以讀取輸出電壓 (V)、電感值 (μH)、開(kāi)關(guān)頻率 (kHz) 和工作模式（例如，峰值電流模式）的現有設置。然后，開(kāi)發(fā)人員可以對這些設置進(jìn)行更改，并使用修改后的數值對模塊的 RAM 進(jìn)行編程，以及對模塊加電以檢查更改對其性能的影響。 類(lèi)似地，在“Advanced”（高級）選項卡下，設計人員可以在以下分組中查詢(xún)和更改詳細的性能參數設置： · Light-Load mode（輕負載模式）：可用模式包括高級異步調制 (AAM) 和強制連續電流模式 (CCM)。AAM 可優(yōu)化輕負載或空載條件下的轉換器效率，而強制 CCM 則可保持恒定的開(kāi)關(guān)頻率，且輸出紋波較�。ǖ谳p負載條件下效率比 AAM 低）。 · Compensation（補償）：這些設置會(huì )改變穩壓器的頻率響應，而頻率響應又決定器件的瞬態(tài)響應、精度和穩定性，進(jìn)而決定其在輸入電壓、負載和占空比變化時(shí)保持設定電壓輸出的能力。良好的補償可使電源在寬頻率范圍內保持穩定，但不會(huì )過(guò)度補償，使動(dòng)態(tài)響應變差。 · Switching（開(kāi)關(guān)）：這些設置會(huì )改變穩壓器開(kāi)關(guān)時(shí)電壓上升和下降的壓擺率，以及頻率抖動(dòng)時(shí)間和幅度。壓擺率和抖動(dòng)對于最大限度地降低 EMI 都很重要。 · VIN/EN threshold（VIN/EN 閾值）：這些設置決定輸入電壓 UVLO 和 EN 操作的閾值限值（和滯后）。 · Power good（電源良好）：這些設置決定“電源良好”的上升閾值上限和下限以及滯后。 · SS Time（SS 時(shí)間）：軟啟動(dòng)設置。軟啟動(dòng)可防止穩壓器在打開(kāi)輸出時(shí)使輸入過(guò)載。 · Protection（保護）：通過(guò)這些設置，設計人員可以實(shí)現保護模式和閾值，例如峰值電流、OVP 和 OTP 等（圖 7）。
圖 7：MPS 的 Virtual Bench GUI 包括可配置模塊的高級編程功能，用以?xún)?yōu)化模塊性能，從而滿(mǎn)足設計人員的規格要求。（圖片來(lái)源：MPS） 設計人員為應用選擇最佳設置后，這些信息就會(huì )寫(xiě)入模塊的內置 RAM。然后，開(kāi)發(fā)人員可以在各種負載下運行 EK 以檢查其性能。要優(yōu)化電源性能，只要簡(jiǎn)單地修改設置并重寫(xiě)到 RAM 中即可。 由于 RAM 是易失性存儲器，一旦模塊關(guān)閉，設置就會(huì )丟失。重新啟動(dòng)時(shí)，模塊將以出廠(chǎng)默認設置啟動(dòng)。關(guān)閉電源前，可以將 RAM 中的信息導出至 Virtual Bench，以供將來(lái)參考。 確定最佳設置后，設計人員就可以將這些設置編程至 OTP ROM 中，使它們在斷電時(shí)仍可保留，并在下次模塊啟動(dòng)時(shí)使用。EK 仍然允許通過(guò) I2C 接口和 RAM 進(jìn)一步試驗設置，但在首次使用 ROM 后，就不能再保存任何進(jìn)一步的設置。 結語(yǔ) 雖然市面上有各種優(yōu)秀的單片穩壓器可供選擇，但設計人員仍需要大量工作來(lái)設計和測試外圍電路，以針對特定應用優(yōu)化設計性能。通過(guò)將模塊中完整的硬件設計與可編程數字邏輯相結合，MPS 的可配置可編程模塊簡(jiǎn)化并加速了這一設計環(huán)節。 如上所述，將 EK 與基于 PC 的 GUI 相結合可以簡(jiǎn)化配置，設計人員既可以進(jìn)行輸出電壓或電流等基本設置并將其余設置保留為出廠(chǎng)默認值，也可以進(jìn)行更高級的開(kāi)關(guān)轉換器設計，以最大限度地降低 EMI 和瞬態(tài)響應，同時(shí)實(shí)現最佳穩定性和效率。 敲定設計后，即可為客戶(hù)提供批量生產(chǎn)但未經(jīng)編程的模塊，讓客戶(hù)根據原型數據進(jìn)行配置；或者，如果將配置信息提供給 MPS，則可在工廠(chǎng)進(jìn)行編程，然后提供隨時(shí)可用的模塊。 來(lái)源：Digi-Key |
