1.前言

隨著電子技術的發(fā)展，以及消費類電子設備的廣泛使用，對高效直流電源變換(DC-DC)的研究與應用成為日益重要的課題。DC-DC電路以其優(yōu)異的特性，在大多數(shù)消費類電子設備中，替代了線性電源變換線路成為了主要應用對象。

DC-DC是一種在直流電路中將一個電壓值的電能變?yōu)榱硪粋€電壓值的電能的裝置，其采用微電子技術，把小型表面安裝集成電路與微型電子元器件組裝成一體而構成。

DC-DC的性能

1.輸入輸出端的電壓均為平滑直流,無交流諧波分量

2.輸出阻抗為零

3.快速動態(tài)響應,抑制能力強

4. 高效率小型化

DC-DC電路分為電壓模式和電流模式控制兩種類型，基本原理都是誤差放大器的輸出與三角波比較產生PWM，PWM信號驅動功率管實現(xiàn)變換。區(qū)別就是電壓模式的三角波來自三角波發(fā)生器，電流模式的三角波來自電感的電流。

然而DC/DC 降壓 (buck) 負載點電源模塊的理想目標是將整個物料清單 (BOM) 集成到封裝內。實際上，大多數(shù)電源模塊需要多個外部組件，包括輸入和輸出電容器。這些電容器通常是外部的，因為它們太昂貴且體積太大而無法集成到封裝中。

高開關頻率降壓架構將最大限度地減少外部電容器的尺寸和數(shù)量。但是，雖然這些架構縮小了 BOM 以實現(xiàn)模塊中的集成，但我們必須在性能和操作范圍方面進行權衡。

2.實際電路舉例

以 TPSM84A21 為例，它是一款 10A DC/DC 電源模塊，采用高頻兩相架構，開關頻率為 4MHz。TPSM84A21 在 9mm x 15mm x 2.3mm 封裝中集成了 66.1μF 的輸入電容和 185μF 的輸出電容、一個穩(wěn)壓器 IC、兩個電感器和無源器件。唯一需要的外部組件是單個編程電阻器。相比之下，LMZ31710 是 10A DC/DC 電源模塊，采用 10mm x 10mm x 4.3mm 封裝，開關頻率為 500kHz，需要比 TPSM84A21 大得多的電容，所有電容都在模塊外部。表 1 比較了電容。

表 1：TPSM84A21 和 LMZ31710 之間的電容比較

讓我們進一步看看這兩種解決方案在規(guī)格、解決方案尺寸、效率、瞬態(tài)響應和電磁干擾 (EMI) 性能方面的比較。

3.規(guī)格和功能比較

TPSM84A21 輸出范圍為 0.55V 至 1.2V。1.2V 至 2.05V 的輸出電壓需要 TPSM84A22。相比之下，如表 2 所示，LMZ31710 輸入范圍更寬，單個器件可覆蓋 0.6V 至 3.6V 的輸出電壓。   

表 2：TPSM84A21 和 LMZ31710 規(guī)格和特性比較

4.布局大小

圖 1 顯示，雖然 TPSM84A21 封裝更大，但整體解決方案面積卻縮小了 60%。

圖 1：解決方案大小比較

5.效率

圖 2 顯示 LMZ31710 在中低負載下的效率要高得多；然而，在滿載時，效率類似于 12V 至 1.2V 的轉換。

圖 2：12V 至 1.2V 轉換的效率比較

圖 3 顯示了 TPSM84A22 和 LMZ31710 的效率在 12V 至 1.8V 轉換時的相似之處。

圖 3：12V 至 1.8V 轉換的效率比較

6.瞬態(tài)響應

正如我們在圖 4 中看到的，TPSM84A21 的瞬態(tài)響應在沒有外部輸出電容的最壞情況下要好得多。

圖 4：瞬態(tài)響應比較

7.輻射電磁干擾

在圖 5 中，TPSM84A22 和 LMZ31710 的輻射 EMI 均符合 Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques (CISPR) 22 B 類輻射 EMI，但 LMZ31710 的峰值輻射較低。

圖 5：輻射 EMI 比較

8.結論

在小尺寸內集成輸入和輸出電容器需要高開關頻率架構，這顯著減小了整體解決方案尺寸和瞬態(tài)響應，并使設計非常簡單。權衡是更窄的工作輸入和輸出電壓范圍、在某些條件下更低的效率以及更高的峰值輻射 EMI。采用傳統(tǒng)的電流模式降壓架構，工作范圍更廣，效率高，功能更多。根據(jù)具體情況，TPSM84A21/2 和 LMZ31710 都是負載點應用的絕佳選擇。