在 DCDC 降压电源模块中集成输入和输出电容器时进行权衡

1.前言

随着电子技术的发展，以及消费类电子设备的广泛使用，对高效直流电源变换(DC-DC)的研究与应用成为日益重要的课题。DC-DC电路以其优异的特性，在大多数消费类电子设备中，替代了线性电源变换线路成为了主要应用对象。

DC-DC是一种在直流电路中将一个电压值的电能变为另一个电压值的电能的装置，其采用微电子技术，把小型表面安装集成电路与微型电子元器件组装成一体而构成。

DC-DC的性能

1.输入输出端的电压均为平滑直流,无交流谐波分量

2.输出阻抗为零

3.快速动态响应,抑制能力强

4. 高效率小型化

DC-DC电路分为电压模式和电流模式控制两种类型，基本原理都是误差放大器的输出与三角波比较产生PWM，PWM信号驱动功率管实现变换。区别就是电压模式的三角波来自三角波发生器，电流模式的三角波来自电感的电流。

然而DC/DC 降压 (buck) 负载点电源模块的理想目标是将整个物料清单 (BOM) 集成到封装内。实际上，大多数电源模块需要多个外部组件，包括输入和输出电容器。这些电容器通常是外部的，因为它们太昂贵且体积太大而无法集成到封装中。

高开关频率降压架构将最大限度地减少外部电容器的尺寸和数量。但是，虽然这些架构缩小了 BOM 以实现模块中的集成，但我们必须在性能和操作范围方面进行权衡。

2.实际电路举例

以 TPSM84A21 为例，它是一款 10A DC/DC 电源模块，采用高频两相架构，开关频率为 4MHz。TPSM84A21 在 9mm x 15mm x 2.3mm 封装中集成了 66.1µF 的输入电容和 185µF 的输出电容、一个稳压器 IC、两个电感器和无源器件。唯一需要的外部组件是单个编程电阻器。相比之下，LMZ31710 是 10A DC/DC 电源模块，采用 10mm x 10mm x 4.3mm 封装，开关频率为 500kHz，需要比 TPSM84A21 大得多的电容，所有电容都在模块外部。表 1 比较了电容。

表 1：TPSM84A21 和 LMZ31710 之间的电容比较

让我们进一步看看这两种解决方案在规格、解决方案尺寸、效率、瞬态响应和电磁干扰 (EMI) 性能方面的比较。

3.规格和功能比较

TPSM84A21 输出范围为 0.55V 至 1.2V。1.2V 至 2.05V 的输出电压需要 TPSM84A22。相比之下，如表 2 所示，LMZ31710 输入范围更宽，单个器件可覆盖 0.6V 至 3.6V 的输出电压。   

表 2：TPSM84A21 和 LMZ31710 规格和特性比较

4.布局大小

图 1 显示，虽然 TPSM84A21 封装更大，但整体解决方案面积却缩小了 60%。

图 1：解决方案大小比较

5.效率

图 2 显示 LMZ31710 在中低负载下的效率要高得多；然而，在满载时，效率类似于 12V 至 1.2V 的转换。

图 2：12V 至 1.2V 转换的效率比较

图 3 显示了 TPSM84A22 和 LMZ31710 的效率在 12V 至 1.8V 转换时的相似之处。

图 3：12V 至 1.8V 转换的效率比较

6.瞬态响应

正如我们在图 4 中看到的，TPSM84A21 的瞬态响应在没有外部输出电容的最坏情况下要好得多。

图 4：瞬态响应比较

7.辐射电磁干扰

在图 5 中，TPSM84A22 和 LMZ31710 的辐射 EMI 均符合 Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques (CISPR) 22 B 类辐射 EMI，但 LMZ31710 的峰值辐射较低。

图 5：辐射 EMI 比较

8.结论

在小尺寸内集成输入和输出电容器需要高开关频率架构，这显着减小了整体解决方案尺寸和瞬态响应，并使设计非常简单。权衡是更窄的工作输入和输出电压范围、在某些条件下更低的效率以及更高的峰值辐射 EMI。采用传统的电流模式降压架构，工作范围更广，效率高，功能更多。根据具体情况，TPSM84A21/2 和 LMZ31710 都是负载点应用的绝佳选择。