開(kāi)關(guān)式 DC-DC 穩(wěn)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(wěn)壓器可供選擇，但每款產(chǎn)品的設(shè)計(jì)都是為了滿足不同應(yīng)用的需求，而不符合工程師個(gè)人的獨(dú)特設(shè)計(jì)規(guī)格。或者說(shuō)，針對(duì)特定應(yīng)用優(yōu)化電源需要耗時(shí)且昂貴的設(shè)計(jì)迭代。
設(shè)計(jì)人員需要一個(gè)與電源供應(yīng)商交互的 Web 界面，讓他們能夠使用所需的性能參數(shù)來(lái)配置電源設(shè)計(jì)，然后在敲定設(shè)計(jì)后，供應(yīng)商再批量供貨。
本文介紹了使用可配置電源模塊完成此類設(shè)計(jì)流程的情況。具體來(lái)說(shuō)，本文將介紹如何利用 MPS 評(píng)估套件 (EK) 和基于 Web 的軟件來(lái)加速簡(jiǎn)單或高級(jí) DC-DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)過(guò)程。
DC-DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)入門
要從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)一款降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器完全沒(méi)問(wèn)題，而且使用相對(duì)較少的元器件。例如，基本設(shè)計(jì)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(duì)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(zhǔn)、誤差放大器、比較器、振蕩器和開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器。但很少有工程師選擇采用分立元器件的設(shè)計(jì)路線，因?yàn)槭忻嫔嫌写罅扛叨燃傻膯纹?DC-DC 穩(wěn)壓器可供選擇，它們經(jīng)過(guò)驗(yàn)證且價(jià)格低廉。
根據(jù)輸入輸出電壓、最大負(fù)載電流和最大電壓紋波等規(guī)格要求，以及對(duì)高級(jí)設(shè)計(jì)產(chǎn)生作用的效率、瞬態(tài)響應(yīng)和頻率響應(yīng)等因素，選擇一款成熟供應(yīng)商的穩(wěn)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，可以滿足大部分規(guī)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)通常的著手點(diǎn)是集成了脈沖寬度調(diào)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(shè)計(jì)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(wěn)壓器設(shè)計(jì)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(jì)算，然后是數(shù)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(xiàn)，隨后進(jìn)行調(diào)整以精確滿足規(guī)格要求。
MPS 提供的可配置電源模塊，為這種耗時(shí)的電源設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換器，帶有 I2C 控制接口和多頁(yè)一次性可編程 (OTP) ROM 存儲(chǔ)器，具備 3 A 連續(xù)輸出電流能力。該轉(zhuǎn)換器集成了高壓側(cè)和低壓側(cè)功率 MOSFET、補(bǔ)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(shè)計(jì)人員能夠針對(duì)特定設(shè)計(jì)優(yōu)化每個(gè)輸出。
電流模式運(yùn)行具有快速、瞬態(tài)響應(yīng)能力，能輕松實(shí)現(xiàn)環(huán)路穩(wěn)定。全保護(hù)功能包括欠壓鎖定 (UVLO)、過(guò)壓保護(hù) (OVP)、過(guò)流保護(hù) (OCP) 和過(guò)熱保護(hù) (OTP)。
mEZDPD3603A 模塊將工作設(shè)計(jì)所需的幾乎所有外圍元器件都加入到此降壓轉(zhuǎn)換器中（圖 1）。
圖 1：MPS mEZDPD3603A 模塊內(nèi)部原理圖。設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(wěn)壓器電源的設(shè)計(jì)。從頭設(shè)計(jì)時(shí)，計(jì)算這些電容器的值并不簡(jiǎn)單，并且受輸出電壓、負(fù)載、占空比和電壓紋波的影響（請(qǐng)參見(jiàn) Digi-Key 技術(shù)文章“電容器選擇是良好穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵”）。但如果使用 MPS 模塊，制造商已經(jīng)為設(shè)計(jì)人員計(jì)算好數(shù)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(yīng)用電路中，R2 用于設(shè)置 I2C 地址，以允許識(shí)別系統(tǒng)中的多個(gè)模塊。（圖片來(lái)源：MPS）
| VOUT (V)CINCOUT<3.34.7 μF22 μF5 版規(guī)定的 10% 負(fù)載效率4.7 μF22 μF x 21210 μF22 μF x 2 |
表 1：不同輸出電壓下，圖 2 所示應(yīng)用電路的推薦電容值。（圖片來(lái)源：MPS）
如果要在嚴(yán)格電磁干擾 (EMI) 法規(guī)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(shè)計(jì)的更多信息，請(qǐng)參見(jiàn) Digi-Key 技術(shù)文章“使用低 EMI 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器優(yōu)化高效率電源設(shè)計(jì)”。）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 類標(biāo)準(zhǔn)的 MPS mEZDPD3603A 應(yīng)用電路。（圖片來(lái)源：MPS）
| VOUT (V)低C1C2C3COUT<3.34.7 μH10 μF10 μF不適用22 μF5 版規(guī)定的 10% 負(fù)載效率4.7 μH10 μF10 μF不適用22 μF x 2124.7 μH10 μF10 μF100 μF E-cap22 μF x 2 |
表 2：不同輸出電壓下，上述應(yīng)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%，線路和負(fù)載調(diào)整率（VIN = 24 V，VOUT = 5）為 ±1%。最大電流高達(dá) 3 A，輸出電壓紋波（VIN = 24 V，VOUT = 5 V，滿載）為 30 毫伏 (mV)。表 3 總結(jié)了該模塊的性能和效率數(shù)據(jù)，圖 4 顯示了不同效率和負(fù)載電流值的 VOUT。
| 參數(shù)條件數(shù)值輸入電壓4.5 V 至 36 V輸出電壓VIN = 4.5 V 至 36 V，單輸出，IOUT = 0 A 至 3 A0.6 V 至 12 V輸出電流VIN = 4.5 V 至 36 V，單輸出，VOUT = 6 V 至 12 V0 A 至 3 A典型效率VIN = 12 V，VOUT = 5 V，IOUT = 3 A90%峰值效率VIN = 24 V，VOUT = 12 V，滿載，F(xiàn)sw = 800 kHz93.2默認(rèn)開(kāi)關(guān)頻率典型開(kāi)關(guān)頻率500 kHz |
表 3：MPS mEZDPD3603A 性能參數(shù)。（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(shù)據(jù)。（圖片來(lái)源：MPS）
可配置電源模塊評(píng)估套件
由于 MPS 模塊包含數(shù)字邏輯電路，因此可以通過(guò)更改軟件參數(shù)來(lái)修改其工作性能。參數(shù)訪問(wèn)通過(guò)模塊的 I2C 接口來(lái)實(shí)現(xiàn)，從該接口可以查詢和更改器件 RAM 中的設(shè)置。達(dá)到所需的最佳設(shè)置后，OTP ROM 存儲(chǔ)器可以永久存儲(chǔ)這些設(shè)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(shè)計(jì)。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(dāng)?shù)呢?fù)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(píng)估套件包括模塊插口，且需要外部電源和負(fù)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(zhuǎn) I2C （EK 端）適配器。USB 電纜將適配器連接到 PC，另一側(cè)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(fù)載，并通過(guò) USB 轉(zhuǎn) 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(yùn)行 Windows XP、7 或更高版本）并且計(jì)算機(jī)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(xiàng)：一個(gè)是“Simulation & Program”（仿真和程序），此選項(xiàng)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(yùn)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(xiàng)，因?yàn)樗岄_(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(jí)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(xiàn)有設(shè)置。然后，開(kāi)發(fā)人員可以對(duì)這些設(shè)置進(jìn)行更改，并使用修改后的數(shù)值對(duì)模塊的 RAM 進(jìn)行編程，以及對(duì)模塊加電以檢查更改對(duì)其性能的影響。
類似地，在“Advanced”（高級(jí)）選項(xiàng)卡下，設(shè)計(jì)人員可以在以下分組中查詢和更改詳細(xì)的性能參數(shù)設(shè)置：
Light-Load mode（輕負(fù)載模式）：可用模式包括高級(jí)異步調(diào)制 (AAM) 和強(qiáng)制連續(xù)電流模式 (CCM)。AAM 可優(yōu)化輕負(fù)載或空載條件下的轉(zhuǎn)換器效率，而強(qiáng)制 CCM 則可保持恒定的開(kāi)關(guān)頻率，且輸出紋波較小（但在輕負(fù)載條件下效率比 AAM 低）。
Compensation（補(bǔ)償）：這些設(shè)置會(huì)改變穩(wěn)壓器的頻率響應(yīng)，而頻率響應(yīng)又決定器件的瞬態(tài)響應(yīng)、精度和穩(wěn)定性，進(jìn)而決定其在輸入電壓、負(fù)載和占空比變化時(shí)保持設(shè)定電壓輸出的能力。良好的補(bǔ)償可使電源在寬頻率范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，但不會(huì)過(guò)度補(bǔ)償，使動(dòng)態(tài)響應(yīng)變差。
Switching（開(kāi)關(guān)）：這些設(shè)置會(huì)改變穩(wěn)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(duì)于最大限度地降低 EMI 都很重要。
VIN/EN threshold（VIN/EN 閾值）：這些設(shè)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(shè)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(shè)置。軟啟動(dòng)可防止穩(wěn)壓器在打開(kāi)輸出時(shí)使輸入過(guò)載。
Protection（保護(hù)）：通過(guò)這些設(shè)置，設(shè)計(jì)人員可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)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(jí)編程功能，用以優(yōu)化模塊性能，從而滿足設(shè)計(jì)人員的規(guī)格要求。（圖片來(lái)源：MPS）
設(shè)計(jì)人員為應(yīng)用選擇最佳設(shè)置后，這些信息就會(huì)寫(xiě)入模塊的內(nèi)置 RAM。然后，開(kāi)發(fā)人員可以在各種負(fù)載下運(yùn)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(shè)置并重寫(xiě)到 RAM 中即可。
由于 RAM 是易失性存儲(chǔ)器，一旦模塊關(guān)閉，設(shè)置就會(huì)丟失。重新啟動(dòng)時(shí)，模塊將以出廠默認(rèn)設(shè)置啟動(dòng)。關(guān)閉電源前，可以將 RAM 中的信息導(dǎo)出至 Virtual Bench，以供將來(lái)參考。
確定最佳設(shè)置后，設(shè)計(jì)人員就可以將這些設(shè)置編程至 OTP ROM 中，使它們?cè)跀嚯姇r(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(yàn)設(shè)置，但在首次使用 ROM 后，就不能再保存任何進(jìn)一步的設(shè)置。
結(jié)語(yǔ)
雖然市面上有各種優(yōu)秀的單片穩(wěn)壓器可供選擇，但設(shè)計(jì)人員仍需要大量工作來(lái)設(shè)計(jì)和測(cè)試外圍電路，以針對(duì)特定應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)性能。通過(guò)將模塊中完整的硬件設(shè)計(jì)與可編程數(shù)字邏輯相結(jié)合，MPS 的可配置可編程模塊簡(jiǎn)化并加速了這一設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。
如上所述，將 EK 與基于 PC 的 GUI 相結(jié)合可以簡(jiǎn)化配置，設(shè)計(jì)人員既可以進(jìn)行輸出電壓或電流等基本設(shè)置并將其余設(shè)置保留為出廠默認(rèn)值，也可以進(jìn)行更高級(jí)的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，以最大限度地降低 EMI 和瞬態(tài)響應(yīng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)最佳穩(wěn)定性和效率。
敲定設(shè)計(jì)后，即可為客戶提供批量生產(chǎn)但未經(jīng)編程的模塊，讓客戶根據(jù)原型數(shù)據(jù)進(jìn)行配置；或者，如果將配置信息提供給 MPS，則可在工廠進(jìn)行編程，然后提供隨時(shí)可用的模塊。
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