什么是模块化稳压器？

一个简单的、非隔离式DC-DC开关稳压器的基本构建块如图1的原理图所示。PWM控制、电流开关、电感和储能电容都是必需的元件。模块化稳压器集成了电流开关和电感，而这些都是分立式设计中的独立实体。由于储能电容器的值往往会超过1μF，很少能够集成在一个单片封装当中。

如何选择分立式和模块化电源

通常情况下，要在拥有成本、设计难度和性能之间进行权衡。

拥有成本是除去电源设计人员的劳动费用加上测试、可能的重新设计劳动力成本，以及最终制造/组装成本之后的物料清单（BOM）。其他潜在成本可能包括与设计不当的电源相关的质量问题。

显然，使用完全集成的电源模块的设计难度要比分立式电源更小。但是，在现有的分立式稳压器设计当中，仍然存在着各种集成问题。例如，一些稳压器已经内置了FET开关，没有了选择FET和栅极驱动的问题。控制器IC是最灵活的选择，但是需要有更高的专家级设计能力。如果决定要采用非模块化的方法，就应该进一步探讨如何“谨慎”地将其融入到设计当中。幸运的是，像美国国家半导体公司的WEBENCH® 在线设计工具等优秀工具有助于电源设计新手轻松实现分立式电源设计。

分立式控制器 集成模块

图1：DC-DC降压稳压器的集成水平

易于设计

探索与学习 比较与选择 设计与构建

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全新SIMPLE SWITCHER® 易电源电源模块

SIMPLE SWITCHER易电源电源模块以一种创新的封装提供了具备卓越EMI和热性能的高效率、集所有功能于一身的电源解决方案。

全新业界领先的集成封装

这一易于使用的封装采用一种铜底板实现优异的散热性能，简化了原型设计和制造。每个系列的负载电流均引脚对引脚兼容和占位面积兼容，使设计更加方便。

卓越的EMI性能

LMZ系列电源模块适用于噪声敏感的应用，提供了优良的辐射EMI性能，符合CISPR22 Class B辐射标准。

卓越的热性能

无需气流的散热性能，结合低工作温度和低系统散热量实现了电源模块的可靠性和鲁棒性。高效散热技术无需外部散热片或风扇，降低了系统的复杂性和成本。

集成模块可以应对设计和布局的挑战，但也不能完全解决这一问题。至少，设计人员必须评估设计的功率规格，其中包括评估输入和输出电压、电流、允许温升、噪声问题、安全和辐射方面的要求，可能还有其他考虑。即使是最简单的模块化解决方案也需要进行认真的规划。

电路性能多种多样，且取决于应用。RF电路电源的输出噪声可能最为关键，而一个助听器所关注的规格可能是温升和电路尺寸。

设计实例

用所有可能的电压和电流值来评估每一种方法的优点和缺点是不可能的，但以下的设计分析将揭示针对通用参数设置的一个模块化设计与一个采用分立式控制器IC的设计的优点和缺点。两种方法之间的设计规格是相同的：

•VIN = 24V

•VOUT = 3.3V

•最大输出电流 = 3.0A

•环境温度 = 55℃

为了比较这两种方法之间的设计难易程度，美国国家半导体的WEBENCH设计工具将用来设计采用LM3152 3.3V SIMPLE SWITCHER® 易电源控制器和LMZ14203 SIMPLE SWITCHER易电源电源模块的电路。现在，这种易于使用的WEBENCH工具提供了丰富的补充设计工具，而且可以在national.com/webench进行仔细的评估。评估结果将侧重于原理图、BOM成本、PCB的元件面积、输出噪声分析、效率和热仿真。

原理图和物料清单

图2显示了采用LM3152 3.3V控制器的分立式设计。这种设计是使用WEBENCH工具完成的，耗时约30分钟，包括优化和节约成本的少量元件变化，以及验证正确工作的一些设计仿真。没有CAD软件辅助的设计可能需要几个小时到一整天进行电路计算和元件搜索。

图2：分立式设计——LM3152 3.3V控制器及物料清单

图3：模块化设计——LMZ14203集成电源模块和物料清单

图3显示了采用LMZ14203集成电源模块的模块化设计的原理图。由于设计选择更少，发生错误的机会有限，使用WEBENCH设计工具的设计过程几乎就在须臾之间。数据手册提供了有关电容器和电阻器选择的说明。无需通过目录来寻找FET和电感器。

比较两种设计之间的BOM成本，显然要比分立式设计具有一种成本优势。请注意，电源模块的价格是以500片计算的，而控制器的价格是以1,000片计算的。WEBENCH工具生成了所有显示的成本和公布的目录价格，通常是以1,000片或剪切带（cut-tape）量来计算的。

简单的PCB布局

图4显示了表示电流设计实例的评估板。开关稳压器的“艺术”布局在于减少了大电流、高频结点的长度和尺寸，而且妥善管理了返回电流的路径。任何PCB CAD操作员都可以把“正在工作的”电源放在一起。要确保电源的鲁棒性和以最小的噪声辐射工作需要仔细的规划和电路操作知识。模块化设计更不容易出现布局错误的优点也是显而易见的。

一些模块化设计PCB布局的另一个优点是能够在裸片之下的铜层面（copper plane）进行完整的布线。裸片和顶层铜层面之间的最大热传导始终是保持结温尽可能低的一个重要目标。在采用国家半导体的LMZ系列电源模块的情况下，大几何尺寸裸露的地电位焊盘在空间上是与其他信号引脚分开的。图4中的LMZ14203评估板表明易于为模块下面的裸露焊盘提供完整的顶层铜层面。

集成电源模块 分立式控制器

图4：模块化和分立式解决方案评估板

图5：元件占位面积比较表

元件占位面积

WEBENCH工具的元件PCB占位面积是以平方毫米为单位的。它包括一个每边1 mm的空间，以保证电气间隙。图5中的表总结了元件的总面积，并增加了额外50％的封装尺寸，包括走线和开放空间。所有尺寸均为单面布局。

效率和热仿真

WEBENCH热仿真器输出的工作条件为24 VIN，3.3 VOUT，输出电流3A，环境温度55℃，无风扇，双面铜层为1.5盎司。热图显示的是一个通用布局，并不代表最大可能的封装密度。

很显然，与模块化设计相比，图6和图7中的效率图和热图像显示分立式设计更高效，热量消耗更少。当然，这只是一个工作点。

图6：分立式设计的WEBENCH仿真输出

图7：模块化设计的WEBENCH仿真输出

分立式设计的一个优势是能够优化规定工作电压和输出电流的FET选择。此外，重要的是要记住，这些温度是在55℃的上升环境。由于最高TJ为125℃，仍然可保持模块化设计38℃额外的安全缓冲。

输出噪声和辐射

由于有许多方法可以量化开关电源产生的噪声，比较两种设计之间的输出电压噪声的讨论意义并不大。此外，认为一种方法总是比其他方法噪声更高是一个错误的假设。像电感大小、输入电压、开关频率和电容器等效串联电阻系数（ESR）等因素可在生成输出电压纹波方面发挥主导作用。

然而，模块化设计有一个明显的优势，因为连接稳压器元件的最小化电路走线可远远超过分立式设计方法。

LMZ系列集成模块采用三维堆叠的芯片和屏蔽式电感器，以减少走线长度和电感。输出电压的示波器曲线图如图8所示。

注：AC耦合输出噪声。BW = 150 MHz。输出电容两端的电感非常低。

图8：评估板测得的输出纹波噪声

对于这两个输出，有可能通过降低总电容的ESR实现更低的电压纹波。这可以通过使用一个比较昂贵的电容器或增加更多的并联电容器来实现。需要注意的区别是极高频噪声“尖峰”的量，它出现在分立式设计当中。所有额外的寄生电感和走线元件（trace element）都会导致输出端出现高频尖峰，也可能导致使噪声辐射测试失败的传导和辐射噪声。

可靠性的问题

一个正在工作的电源设计的电路故障可分为三类：初始装配错误、缺乏误用保护（过载输出、输入电压过高等），以及寿命缩短的元件故障。分立式和模块化设计会受到所有三类故障的影响，但模块化设计往往融合了深思熟虑的一套保护机制，因为整个电路是由设计师“规划的”，而模块制造商也将对电路进行一系列更严格的测试，而典型最终用户对其电源是做不到的。

与装配错误的可能性（如元件不正确、元件安装不当和不良焊点）相比，模块化设计有显著的优势。这些模块总是在组装成印刷电路板销售之前才进行测试的。

结论

下面的表总结了以往设计实例的分立式与模块化设计稳压器的优点和缺点。许多DC-DC稳压器应用都适用这个“记分卡”。这个例子经常会发生例外情况，特别是因为设计规格往往偏离常见的电压和电流范围。