无处不在的降压DC-DC转换器，你会选吗？
【导读】一个电子系统的运行少不了高效、可靠电源系统的加持。将来自不同电源（如市电和电池）的能量转换为电子电路中各种负载所需的电源轨，需要合理使用各种元器件构建起一个完整的电源架构，这也就是“电源管理”所要完成的工作。
众所周知，根据电能转换的需求，电源管理包括三个主要的场景：交流转直流（AC-DC）、直流转直流（DC-DC）以及直流转交流（逆变），其中DC-DC的应用应该是尤为广泛的。
DC-DC转换器（或者叫稳压器）一般由控制电路、开关管（二极管或三极管）、电感线圈、电容等元器件构成，其根据反馈电路提供的信号，通过控制开关器件的“开关”动作将输出电压稳定在所需的电压水平上，因此也被称为“DC-DC开关电源”以区别于其他的稳压电路。
采用不同的DC-DC开关电源拓扑，可以实现降压、升压和升降压三类操作，其中尤以降压DC-DC的应用场景更为丰富——凡是所需电压低于系统中的可用电压时，都会使用到降压转换器；在一些更复杂的配电架构中，还会采用多次DC-DC降压转换操作以达到提高效率、简化系统的目的。
今天，我们就来重点聊聊降压DC-DC电源管理器件应该如何选。
不同的降压DC-DC类型
由于是进行降压转换，因此电源设计时，降压DC-DC经常会被拿来与线性稳压电源（LDO）进行比较。相较而言，LDO电路简单、成本较低，同时具有负载响应快、输出纹波小、噪声小等特点；而降压DC-DC则在高效率、支持更宽的输入工作电压和更大的压降、支持更大的电流和功率、输出电压灵活可调等方面独具优势。
因此在做具体技术选型时，需要在效率、成本、噪声、性能等方面综合评估，做出正确的决策。有时，也可以综合两者的优点，在电源设计时搭配使用，比如为了提高开关DC-DC的精度，克服其噪声大的短板，会通过在DC-DC后端加入LDO来做优化。
但总体来讲，降压DC-DC器件的应用更为广泛，产品的类型也更多样化，这使得工程师在做元器件选型时要多花费心思，对不同类型的降压DC-DC转化器进行仔细地评估。
在选型之前，需要对降压DC-DC器件的种类有一个比较清新的认知。按照不同的维度，降压DC-DC通常可以被划分为不同的类型。
电压调制方式
降压DC-DC按照其控制方式的差异可分为PFM（脉冲频率调制）和PWM（脉冲宽度调制）两种类型。
PFM的工作原理是：保持固定的开关脉冲宽度，通过改变脉冲输出的频率来调整和控制输出电压并使其以达到稳定状态。这种方式的优点是在轻负载时具有较高的效率（由于轻负载时无需增加功率，开关频率变低，开关损耗减少），而缺点则是变化的频率使得通过滤波消除噪声难以实现，容易对其他电路造成干扰。
PWM顾名思义，是指开关脉冲的频率一定，通过改变脉冲输出宽度对输出电压进行控制的方法，其具有更好的输出电压纹波和噪声，不过由于频率恒定，重负载时和轻负载时的开关次数都相同，因此轻负载时开关损耗相对较高。
也有一些电源管理器件综合了两种控制方式的优点，在重载和稳定状态下采用PWM方式，而轻载时则切换到PFM方式，这无疑对电源系统整体性能的提升大有裨益。具体应用中该选择何种控制方法，要根据设计需求进行仔细权衡。
输出反馈方式
降压DC-DC转换器为了维持电压稳定，会将输出反馈至控制电路。按照输出反馈的方式，可将其分为电压模式控制、电流模式控制和迟滞控制三种类型。
在电压模式下，反馈环路反馈的是输出电压信号，这也是基本方式。其优点在于控制简单、抗噪性好、导通（ON）时间短；缺点则是相位补偿电路比较复杂。
在对电压模式控制优化的基础上，诞生了电流模式控制，其设计思路是以检测电路电感或晶体管电流的方法取代电压信号的采集，与电压模式相比，具有稳定性高、相位补偿电路简单、负载瞬态响应快等优势；而其缺点是电流检测较为敏感，因此设计时对于反馈环路的噪声处理有更高的要求。
迟滞控制是针对CPU、FPGA等对高速负载瞬态响应有更高要求的电源应用而开发的一种输出反馈方式，其优点是瞬态响应极为迅速、反馈环路的稳定性高、无须相位补偿；而缺点则是，开关频率会产生变动、抖动大，以及需要ESR较大的电容器检测纹波。
变压整流方式
除了上面提到的电压调制和输出反馈方式的不同，降压DC-DC转换器在变压器整流方式上还有异步整流和同步整流的区别。
异步整流，是指在电路中是通过上侧晶体管的开关，控制下侧整流二极管的导通/关断，使电流流向或不流向二极管。这种方式电路简单且比较牢靠，在工业设备等应用中广泛采用。
同步整流与异步整流方式主要的区别在于，将异步整流架构中的下侧二极管换成了晶体管，因此可以有效降低输出端开关的损耗，实现更高的效率，但由于需要确保上下两侧晶体管的同步性，电路会更为复杂。
可见，不同类型的降压DC-DC转换器都有各自的优势和短板，充分了解这些特性，才能够根据实际设计需求做出正确的选择。
降压DC-DC关键参数解读
在了解了降压DC-DC转换器类型之后，作为选型的重要一步，就是要对器件的各个参数进行仔细地查阅，以确定其是否满足设计规格的要求。归纳起来，以下这些参数需要我们在降压DC-DC选型时特别关注。
1 输入/输出电压
这是降压DC-DC的基本参数，决定了其是否满足电源转换设计的要求。较宽的输入电压范围以及灵活可调的输出电压，是一款设计优秀的降压DC-DC转换器必备的特性。
2 输出电流
降压DC-DC持续的输出电流能力决定了其可以提供的功率大小，也是一个重要的参数。选型时要保留足够的余量，以避免电流过大对器件造成的损坏。
3 效率
效率是降压DC-DC转换器的优势，也是衡量其性能的一个硬指标，很多设计上的优化最终都是服务于效率的提升。需要注意的是，选型时要同时关注轻载和重载两种情况下的效率表现。
4 开关频率
较高的开关频率通常意味着在电路中可以使用较小的输出电容器和电感器等外围元件，对于设计的小型化更为有利。不过较高频率也会带来更大的开关损耗和噪声问题，需要仔细应对。
5 瞬态响应
该特性反应在负载剧烈变化时，系统是否能够及时调整并确保输出电压的稳定。降压DC-DC器件自身的架构及输出电容性能（容值和ESR）都会对瞬态响应性能产生影响。
6 输出纹波
这是衡量降压DC-DC输出电压波动的重要参数，也是稳压质量的一个关键指标，一般情况下轻载纹波要更大。
7 线性稳定度和负载稳定度
线性稳定度是指输入电压变化时输出电压的稳定性，而负载稳定度则反应输出负载变化时输出电压的稳定性，它们以百分比表示，数字自然是越小越好。
8 静态电流
所谓静态电流是指降压DC-DC在空载时由各模拟电路子模块产生的电流，它会带来静态损耗，因此静态电流的降低对于效率的提升十分关键。能否将静态电流降下来，也是电源管理IC厂商设计和工艺水平的试金石。
9 保护功能
在设计中集成OCP过流保护、OTP过热保护等功能，是确保降压DC-DC可靠稳定工作的重要一环，这些保护功能通常由特定的外部条件触发，并在条件消失时能自恢复。
10 EMI抑制
开关控制的工作模式决定了降压DC-DC会产生更多的噪声，因此在一些噪声敏感型的应用中，必须要考虑加入有效抑制EMI的措施。
理解了上述这些参数，也就掌握了降压DC-DC器件选型的关键要领。以此为据，将器件的特性与设计需求进行比照，应该就能很快锁定想要的那颗料。
打造理想的降压DC-DC器件
经过多年的发展，降压DC-DC转换器IC的技术已经十分成熟，在系统架构、控制方式等大方向上保持稳定的基础上，相关电源管理芯片厂商的角力主要集中在对器件的“精雕细琢”上，特别是要针对特定应用，平衡各个方面的性能表现，以打造出理想的降压DC-DC解决方案。
Analog Devices（ADI）公司的MAX25255同步降压转换器就是按照这样的目标而打造的同步降压转换器。这是一款双路降压转换器，集成了高侧和低侧开关，每通道可提供高达8A电流，支持3V至36V很宽的输入电压范围，输出电压则在0.8V至14V间可编程调整。
图1：MAX25255同步降压转换器
（图源：ADI）
MAX25255提供5V和3.3V两种固定输出电压，四种固定频率选项（200kHz、400kHz、1MHz或2MHz），使其可使用小型外部元件，减少输出纹波，并保证无AM干扰。如果启用扩频功能，还可以获得更佳的EMI性能。
该器件在轻负载下可进入跳跃模式（Skip Mode），空载时具有12μA的超低静态电流，因此能够提供十分出色的功耗和效率表现。
MAX25255中的两个降压转换器可以配置为双相操作，这时输出负载能力高达16A。此外，该器件还可以并联使用，以支持高达32A输出电流的四相操作，这提供了很好的设计可扩展性。
该降压转换器可通过观察PGOOD信号监控电压质量，还具有诊断和冗余电路、裸片温度监控器、精密欠压和过压保护功能，并且符合ASIL B要求，这使其成为了汽车和工业应用的理想选择。
图2：MAX25255同步降压转换器系统框图
（图源：ADI）
ADI另一款值得推荐的DC-DC转换器产品是MAX25262 / MAX25263汽车级微型降压转换器。其同样是具有很高的集成度，分别提供高达2A / 3A的输出电流，支持3.5V至65V的宽输入电压范围，空载时的静态电流更是低至3.5μA，且具备一系列可靠的保护功能。特别值得一提的是，该器件采用小型化的封装，更适合于空间有限的应用。
图3：MAX25262/MAX25263汽车级微型降压转换器
（图源：ADI）
MAX25262 / MAX25263提供两个5V和3.3V固定输出电压，使用外部电阻分压器可配置为1V至20V输出电压。其具有快至20ns的导通时间，可在单级中实现大幅度的降压转换，没有跳跃周期。其占空比可达98%，高侧FET导通电阻低，因此可在低输入电压应用中实现低压差运行。
2.1MHz的固定开关频率，使得该降压转换器可支持小型外部元件、减少输出纹波并保证无AM干扰；而400KHz选项则可提供更低的开关损耗和高效率。该器件在轻负载时也是可以进入跳跃模式，以便在FSYNC拉低时实现较高的轻负载效率。同时，该转换器还可提供引脚可选PWM模式，用于EMI关键型应用，并也可提供扩频选型。
可见，MAX25262 / MAX25263通过整合多种技术，应对不同应用场景下的设计需求，也使得器件的综合性能得以提升。由于符合AEC-Q100标准，该降压转换器成为了很多汽车电源管理应用的不二之选。
图4：MAX25262 / MAX25263汽车级微型降压转换器框图（图源：ADI）
追求更高的集成度
除了追求综合性能上的稳步提升，降压DC-DC转换器的另一个技术演进维度就是不断提升器件的集成度，追求设计的轻量化和小型化。这也就催生了降压DC-DC模块。
这类电源模块通常采用SiP的方式，将DC-DC控制器、功率晶体管、输入和输出电容、补偿组件以及电感等磁性元件，集成在一个小型化的封装内，可进一步压缩系统设计的尺寸。由于模块产品性能经过了精密的调校、严格的测试和验证，因此能够大大简化整个电源系统的设计，并满足高可靠性的设计要求。
ADI公司的μModule稳压器系列就是这样的高集成度电源模块解决方案，能够在满足开发时间和设计空间限制的同时，提供高效率、高可靠性。
图5：高集成度的μModule稳压器架构示意图
（图源：ADI）
图6：μModule稳压器模块与其他DC-DC转换器架构的比较（图源：ADI）
在μModule稳压器系列中，LTM4652是一款很出色的降压DC-DC电源模块。其具有拉/灌双路±25A或单路±50A输出开关模式，以及±1.5%总直流输出误差。该稳压器模块的输入电压范围为4.5V至18V，支持两路输出，每个输出可支持高达±25A连续电流，输出电压范围为0.6V至7.5V，均由单个外部电阻器设置。
图7：LTM4652 μModule稳压器
（图源：ADI）
LTM4652稳压器具有输入/输出过压和双向过流保护等故障保护功能。可调控制环路补偿使其能够实现快速瞬态响应，以便在为FPGA、ASIC和处理器供电时将输出电容降至最小。
由于在16mm x 16 mm x 4.92mm的紧凑BGA封装中集成了开关控制器、功率MOSFET、电感器和所有支持元件，因此LTM4652仅需少量输入和输出电容器，即可完成电源系统的设计，这种“拿来即用”的开发体验颇受电源工程师的青睐。
图8：LTM4652 μModule稳压器应用框图
（图源：ADI）
本文小结
凭借着效率高、输入电压范围宽、输出电流/功率大、输出电压灵活可调等方面的优势，降压DC-DC应用极为广泛，可以说是无处不在。同时，技术的进步也在推动降压DC-DC在集成度和综合性能方面不断提升，持续补齐在设计复杂性、噪声干扰等方面的短板。
作为这些努力的“结晶”，市场上的降压DC-DC转换器IC和模块产品也在不断迭代更新，创新的解决方案也是层出不穷。本文中介绍的几款ADI降压DC-DC器件就是其中的代表作，它们的出现也让电源系统的开发体验焕然一新。以这些器件为蓝本，去选择理想的降压DC-DC转换器产品，准没错！
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