【導讀】制造商不愿意將錢花在現成的模塊上，而是參考控制IC的應用電路，使用分立器件搭建一個開關穩(wěn)壓器安裝在電路板上。這種方法在理論上是有效的，但實際上卻存在一些問題。
從表面上來看，要獲得功能完善的開關穩(wěn)壓器，只需要將最新一代的2x2mm控制IC與制造商推薦的分立器件一起安裝在印刷電路板上就搞定了。這似乎聽起來也很合乎邏輯。單從理論上來說，這應該也是讓設備高效運轉起來的最低成本。不幸的是，實踐后卻發(fā)現事情并沒有那么簡單，因為細節(jié)決定成敗。
處理動態(tài)負載
芯片制造商提出的電路設計通常建立在有點樂觀的假設上，即大多數負載是靜態(tài)的，因此這些設計只有很少的分立器件。實際上，靜態(tài)負載往往是正常功能的一個例外。比率為1:1百萬的負載循環(huán)非常常見，例如當微控制器切換到睡眠模式時即是如此。
如果負載所需的電流瞬間從幾安培下降到幾μA，那么開關穩(wěn)壓器會發(fā)生什么？在這種情況下，內置的“智能”已無效，因為是物理定律在作用！在半波上產生的電感式能量在下一個半波上傳遞給負載。如果負載突然降至零，能量只能傳遞至輸出電容器。
如上式所示，過剩的能量導致電容器中的電壓快速增加。一開始控制器將導通時間切換為零。如果此時電感仍然有一些能量，則無法再好好地控制輸出電壓。在低輸出電壓的器件中，它還有可能會加倍，除非電容遠大于規(guī)格書的建議值。
圖1：面積大小僅1.5cm2，RECOM的RPM模塊電路板在輸出端具有6個并聯電容器，可以承受極端的負載循環(huán)。
分立器件的解決方案不容易克服該問題。在RPM系列設計中，有6個并聯電容器來緩沖輸出（圖1），這遠遠超出了芯片制造商的建議。這種配置是RECOM新RPM系列中所有型號的標準配置。通過幾個并聯的小陶瓷電容器，可以得到的表面面積比使用單個大電容器大得多。因此，熱可以更有效地從IC和電感器傳導到GND平面。這種設計的另一個優(yōu)點是降低了電容的ESR。
如何改善EMC
雖然上述的方式可以克服分立器件設計的動態(tài)負載問題，但EMC帶來了更大的挑戰(zhàn)，因為濾波器的性能不僅由控制器IC決定，也由整個印刷電路板的布局而定。這就是IC制造商通常不提供建議的原因。由于器件設計人員通常對IC和PCB之間的相互作用知之甚少，因此他們無法預測電路是否會通過EMC測試。
圖2：RPM系列的模塊符合DOSA第二代高密度格式。金屬外殼和GND平面提供6面保護。
隨著設計人員需要減小電感器的尺寸，高開關頻率的EMC問題變得更加重要。Joseph Fourier展示了方波可以以更高頻率的無限正弦波來呈現。開關頻率越高、諧波的數量越大，因此諧振影響PCB內的電感器和電容器的可能性也越高。
圖3：RPM5.0-6.0的電磁輻射；RPM5.0-6.0配備了Class B外部濾波器件，如數據手冊中所推薦。
電源模塊是EMC優(yōu)化設計后并獲得認證的產品。例如RECOM RPM系列的模塊配備了4層PCB，其底層與金屬外殼在六面上提供適當的屏蔽（圖2）。因此，這些模塊可提供出色的EMC數據。相關規(guī)格書中有簡單的SMD鐵氧體磁珠的信息，這些磁珠讓模塊可靠地符合Class A或Class B規(guī)范，這已在RECOM EMC實驗室的測試中得到驗證（圖3）。如果能可靠控制主電源的質量以及負載和模塊之間的距離，甚至可能不需要使用到磁珠。
良好的熱管理需要4層板
成功克服了剛才描述的所有問題，分立器件解決方案的設計者現在需要考慮散熱的問題?，F代控制器IC的緊湊設計讓散熱變得困難。然而，散熱對于長期使用壽命和可靠的環(huán)境溫度值至關重要。
4層板是最合適的解決方案因為有GND平面作為散熱器。對于兩層足以承載所有元件的設備來說，使用現成的模塊會更經濟。例如，RECOM的RPM系列具有優(yōu)化的熱管理功能。
在格蒙登的RECOM研發(fā)實驗室，工程師們花費了數月時間研究出一種最佳電子設計與最佳散熱設計相結合的解決方案?，F在RPM模塊的12x12mm電路板有許多先進的散熱功能，包括設計成熱管的各種過孔。雖然這種技術并不便宜，但它確保BGA IC和無源組件的熱量以最均勻的方式散發(fā)到金屬外殼和GND平面。
憑借這種創(chuàng)新方法，RECOM再次樹立了新的全球標準，因為RPM模塊可在無降額的條件下在高達105°C的環(huán)境溫度下可靠工作，僅通過外殼和GND平面進行散熱。最強大的RPM模塊可提供高達6A電流，>50W/cm3的功率密度比其他供應商提供的同類模塊高出約50%。
其他高級技術特性
RPM系列包括根據最新技術標準設計的非隔離SMD開關穩(wěn)壓器模塊。目前，模塊具有3.3V和5V輸出以及1、2、3或6A的電流，并且可以與外部電阻結合使用以實現0.9V至6.0V之間的輸出電壓。超薄型模塊，滿載時有97%至99%的超高效率。特別是在5至20%的負載范圍，模塊還具有極高的效率，（圖4）
圖4：在實際測試中，新型開關穩(wěn)壓器在非常重要的低負載范圍內實現了出色的效率，--- 最大值為99%！
允許的最高環(huán)境溫度同樣也很高，例如沒有外部散熱的1A型號可以承受高達+107°C的溫度。開關穩(wěn)壓器模塊具有許多附加功能，如軟啟動、時序和輸出電壓跟蹤。RPM系列的模塊由歐洲的全自動化工廠制造，可通過正常的經銷渠道訂購。模塊的最高價格約為4歐元，具體價格會依據訂單數量調整。
縮短開發(fā)周期的評估板
制造商可以選擇模塊而非分立器件設計的DC/DC轉換器順利地開發(fā)樣機。最新的RPM系列有25個焊盤，每個焊盤僅約1mm2。為了方便樣機評估，RECOM開發(fā)了特殊的評估板，可以集成開關穩(wěn)壓器及其所有功能，且外部濾波器組件已安裝。因此無須焊接即可輕松完成所有的評估。
結論
盡管高度集成的控制器IC能讓生產非隔離開關穩(wěn)壓器變得比較容易，但是通常來說使用現成模塊是更佳的選擇。一方面，模塊縮短了開發(fā)周期。另一方面，它們降低了EMC測試失敗的風險。此外，它們在物料清單中是一個單個組件，無須從不同的供貨商分別購入分立組件。最后，同樣重要的是他們不再需要在PCB上貼裝尺寸小于2mm2的控制器芯片。貼裝芯片本來就不是一件容易的事，但是如果要將芯片貼裝在更大的元件旁邊，這更是一個極大的挑戰(zhàn)。
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