使用小型化的 PoL 转换器来最大化增益

当今的系统电源要求一直存在挑战，设计人员需要克服多个问题，如供电电压、电压定序、高瞬态负载电流和过热等。与其在系统电源上解决这些问题，不如在 PCB（印刷电路板）层面采用措施来解决，虽然这更有益，但意味着需要某种形式的负载点 (PoL) 转换器。由于大多数设计工程师必须满足系统要更小、更高效的市场需求，因此对 PoL 电源的小型化就提出了更高的要求。但是并非所有 PoL 转换器都是一样的，因此在做出采购决策之前必须考虑几个因素。

近年来，有多项关键趋势主导着电子行业发展，尤其是不再采用集中式电源系统，甚至是不再采用分散式或分布式电源架构 (DPA)。取而代之的是，中间总线体系架构 (IBA) 成为最新的优先选择，这种架构采用隔离式前端 DC/DC 转换器，为靠近所供电负载放置的多个小型非隔离式 DC/DC 转换器（称为负载点/PoL 转换器）供电（图 1）。

图 1：像 Flex Power Modules 的 PMU8318 这样的 PoL 转换器为集中式电源系统提供了替代选择。（图片来源：Flex Power Modules）

关于 PoL 转换器的部署，已经出现了另一组趋势，包括对不断提高的性能水平、降低的成本以及系统/组件小型化的需求。最新的电子设备不仅更快、更智能，而且比上一代产品更小、更轻，功率密度更大，效率更高。

这个因素对电源设计有很大的影响。首先，每平方毫米的 PCB 面积要求产生更高的价值，因此转换器越小越好。但是这里还有另一个问题要考虑。由于 PoL 电源主要放置在靠近使用点附近，从而解决了诸如微控制器或 ASIC 之类高性能半导体所需的高峰值电流要求和低噪声容限的挑战。不幸的是，由于紧张的开发进度安排和复杂的电路板设计，许多设计师最终都会把对电源的考虑留到了最后一刻。结果，PCB 空间经常很紧张，留下的空间仅适合小型化器件。

另一个考虑因素是多功能性。例如，建议评估 PoL 转换器是否同时适用于 ASIC 和 FPGA。尽管大多数经过优化的 PoL 电源代表了简单的模拟（而非数字）解决方案，但服务 FPGA 的能力也很重要，因为它们在众多应用设计人员中越来越受欢迎。

与定制设计的 ASIC 相比，FPGA 具有许多优势，包括更低的成本、更大的尺寸范围以及重新配置电路的潜力。但是，尽管这些好处对于设计工程师来说非常有吸引力，但是仍然存在问题。每个 FPGA 将需要多个直流电压源。通常将需要四个、六个或更多个 DC 电源轨，其中一些需要相当高的电流用于该芯片，而许多则需要低得多的电流。这就是为什么仔细选择 PoL 转换器至关重要的原因，尤其是最新的高密度 FPGA（和 ASIC）变得越来越复杂和苛刻时。简言之，不能因为小型化为代价牺牲性能、效率、质量和灵活性。

然而，由于 PCB 板空间价格昂贵，因此无法忽略尺寸的重要性。关键点在于，小型 PoL 转换器通常外形小巧、轻便，足以在 PCB 的下方使用，从而节省了更多空间并提高了设计灵活性。将这种节省空间的概念与只能安装在电路板一侧的更大/更重/更高的 PoL 电源或单独的隔离式转换器比较，其好处显而易见。

此外，可以将小型 PoL 转换器放置在距离其负载更近的位置，而这又带来了许多关键优势。举例来说，可将 DC/DC 配电损耗降至最低，同时将克服噪声敏感性和 EMI 辐射问题。此外，可以减小杂散电感，从而实现更快的瞬态响应。

部署多个 PoL 转换器也将使得在当今 PCB 上提供高规格组件通常所需的各种电压源变得更加容易。

另一个需要仔细检查的因素是热性能。随着功率组件变得更小，封装更密集，传热潜在需求也变得越来越大。但众所周知的是，必须将功耗和热量保持在最低水平，以避免温度上升和潜在的不可靠性，以及因消除多余热量而生产额外成本。因此，最佳建议是，仔细阅读 PoL 转换器的规格书，尤其是查清楚热性能和效率数据。与热性能有关的信息通常以“降额曲线”形式提供，描述了转换器的最大输出如何受到环境温度和冷却条件影响（图 2）。

图 2：PMU8318 产品的（12 V_IN，1 V_OUT 设定点，6 A）输出电流降额曲线显示，在没有气流的情况下电流稳定地保持在 6 A，直至温度达到 +105°C。（图片来源：Flex Power Modules）

该产品的效率数据还可以在规格书相应的“效率曲线”中找到，是必须进行全面检查的数据（图 3）。

图 3：选择 POL 时还必须考虑效率曲线。这里显示的是 PMU8318 产品的典型效率特征（12 V_IN，多个 V_OUT 和所示的开关频率水平，最大 6 A）。（图片来源：Flex Power Modules）

另外还建议系统设计人员找找可能会提高性能的其他功能。例如，有些稳压器具有环路优化功能，可让设计工程师针对不同的容性负载优化其瞬态响应，从而提高系统设计的灵活性。某些 PoL 解决方案还提供了可配置的软启动或跟踪功能，这使得时序设计更容易、更灵活。

综上所述，小型 DC/DC 转换器适合空间是首要考虑因素的各种板上应用。这种稳压器结构紧凑、性价比高，并具有许多通用项目优势，例如更短的开发周期、更轻松的鉴定工作、更灵活的设计布局、更高的质量水平以及更节省的开发成本。

为了满足大家对小型 PoL 稳压器的持续需求，Flex Power Modules 通过DigiKey 销售其紧凑型产品系列，这些产品系列采用小巧且功能丰富的封装，性价比出色。它们效率通常高达 95.3%，同时热性能也非常出色，部分原因是因为 LGA 设计允许热量向下传递到主机 PCB。

这些小型 PMU8000 PoL 转换器采用市场标准封装尺寸，可应用于电路板的上侧或下侧，从而为设计工程师提供了高度灵活的解决方案。一个封装覆盖 4 A、6 A 和 8 A 的电流水平，这为旨在优化电源设计的系统设计人员提供了更大的灵活性。此外，这些模块也可以工作在高温（最高 105°C）和恶劣的环境条件下。在这里，稳健的设计意味着额定平均故障间隔时间 (MTBF) 为 171 Mhrs。Flex Power Modules 的 PoL 稳压器适用于各种各样的电源转换应用，包括 FPGA、ASIC、网络处理器、CPU 和 GPU，覆盖的领域如 ICT（电信和数据通信）、工业、测试与计量、物联网、铁路和医疗。