为什么贴片的开关稳压器模块能提高设计工程师的工作效率

制造商不愿意将钱花在现成的模块上,而是参考控制IC的应用电路,使用分立器件搭建一个开关稳压器安装在电路板上。这种方法在理论上是有效的,但实际上却存在一些问题。

为什么贴片的开关稳压器模块能提高设计工程师的工作效率

从表面上来看,要获得功能完善的开关稳压器,只需要将最新一代的2x2mm控制IC与制造商推荐的分立器件一起安装在印刷电路板上就搞定了。这似乎听起来也很合乎逻辑。单从理论上来说,这应该也是让设备高效运转起来的最低成本。不幸的是,实践后却发现事情并没有那么简单,因为细节决定成败。

处理动态负载

芯片制造商提出的电路设计通常建立在有点乐观的假设上,即大多数负载是静态的,因此这些设计只有很少的分立器件。实际上,静态负载往往是正常功能的一个例外。比率为1:1百万的负载循环非常常见,例如当微控制器切换到睡眠模式时即是如此。

如果负载所需的电流瞬间从几安培下降到几µA,那么开关稳压器会发生什么?在这种情况下,内置的“智能”已无效,因为是物理定律在作用!在半波上产生的电感式能量在下一个半波上传递给负载。如果负载突然降至零,能量只能传递至输出电容器。

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如上式所示,过剩的能量导致电容器中的电压快速增加。一开始控制器将导通时间切换为零。如果此时电感仍然有一些能量,则无法再好好地控制输出电压。在低输出电压的器件中,它还有可能会加倍,除非电容远大于规格书的建议值。

为什么贴片的开关稳压器模块能提高设计工程师的工作效率

图1:面积大小仅1.5cm2,RECOM的RPM模块电路板在输出端具有6个并联电容器,可以承受极端的负载循环。

分立器件的解决方案不容易克服该问题。在RPM系列设计中,有6个并联电容器来缓冲输出(图1),这远远超出了芯片制造商的建议。这种配置是RECOM新RPM系列中所有型号的标准配置。通过几个并联的小陶瓷电容器,可以得到的表面面积比使用单个大电容器大得多。因此,热可以更有效地从IC和电感器传导到GND平面。这种设计的另一个优点是降低了电容的ESR。

如何改善EMC

虽然上述的方式可以克服分立器件设计的动态负载问题,但EMC带来了更大的挑战,因为滤波器的性能不仅由控制器IC决定,也由整个印刷电路板的布局而定。这就是IC制造商通常不提供建议的原因。由于器件设计人员通常对IC和PCB之间的相互作用知之甚少,因此他们无法预测电路是否会通过EMC测试。

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