使用可编程电源模块加速 DC/DC 稳压器设计

开关式 DC-DC 稳压器为电源带来高效率。虽然市面上有各种优质的单片稳压器可供选择，但每款产品的设计都是为了满足不同应用的需求，而不符合工程师个人的独特设计规格。或者说，针对特定应用优化电源需要耗时且昂贵的设计迭代。

设计人员需要一个与电源供应商交互的 Web 界面，让他们能够使用所需的性能参数来配置电源设计，然后在敲定设计后，供应商再批量供货。

本文介绍了使用可配置电源模块完成此类设计流程的情况。具体来说，本文将介绍如何利用 MPS 评估套件 (EK) 和基于 Web 的软件来加速简单或高级 DC-DC 转换器设计的设计过程。

DC-DC 转换器设计入门

要从头开始设计一款降压开关稳压器完全没问题，而且使用相对较少的元器件。例如，基本设计包括一个晶体管（本质上用作开关）、一个二极管、一个电感器、一个跨输出端的电容和另一个跨输入端的电容。然而，对于实际解决方案，可能还需要其他一些元器件，包括电压基准、误差放大器、比较器、振荡器和开关驱动器。但很少有工程师选择采用分立元器件的设计路线，因为市面上有大量高度集成的单片 DC-DC 稳压器可供选择，它们经过验证且价格低廉。

根据输入输出电压、最大负载电流和最大电压纹波等规格要求，以及对高级设计产生作用的效率、瞬态响应和频率响应等因素，选择一款成熟供应商的稳压器往往比较容易。虽然芯片制造商确实提供了一系列令人印象深刻的解决方案，可以满足大部分规格的要求，但无法提供完美符合每一种可能情况的器件。设计人员还有一些工作要做。

工作量取决于单片解决方案的集成程度，但低电流（10 A 以下）设计通常的着手点是集成了脉冲宽度调制 (PWM) 控制器、开关元件（MOSFET 功率晶体管）和旁路二极管的芯片，让设计人员指定输入和输出滤波电路所需的外部电感器、旁路电容器和其他无源元件。

虽然制造商和其他来源（包括下面的推荐阅读清单）提供了许多关于如何基于单片稳压器设计电源的信息，但这仍然是一个棘手而繁琐的过程，会涉及计算，然后是数个周期的硬件原型开发，用以了解理论电路的实际表现，随后进行调整以精确满足规格要求。

MPS 提供的可配置电源模块，为这种耗时的电源设计过程提供了另一条途径。

可配置电源模块简介

MPS mEZDPD3603A 可配置电源模块的核心是一个高频、同步、整流、降压转换器，带有 I²C 控制接口和多页一次性可编程 (OTP) ROM 存储器，具备 3 A 连续输出电流能力。该转换器集成了高压侧和低压侧功率 MOSFET、补偿网络和反馈分压器。输出电压电平、电压压摆率、开关频率、使能和省电模式均可通过 I²C 接口编程，使设计人员能够针对特定设计优化每个输出。

电流模式运行具有快速、瞬态响应能力，能轻松实现环路稳定。全保护功能包括欠压锁定 (UVLO)、过压保护 (OVP)、过流保护 (OCP) 和过热保护 (OTP)。

mEZDPD3603A 模块将工作设计所需的几乎所有外围元器件都加入到此降压转换器中（图 1）。

图 1：MPS mEZDPD3603A 模块内部原理图。设计人员只需要指定输入 (C_IN) 和输出 (C_OUT) 电容器的值。（图片来源：MPS）

设计人员只需增加输入 (C_IN) 和输出 (C_OUT) 电容器，即可完成一款全功能 DC-DC 降压稳压器电源的设计。从头设计时，计算这些电容器的值并不简单，并且受输出电压、负载、占空比和电压纹波的影响（请参见 DigiKey 技术文章“电容器选择是良好稳压器设计的关键”）。但如果使用 MPS 模块，制造商已经为设计人员计算好数值。最终选择仅受输出电压影响（图 2 和表 1）。

图 2: 在 MPS mEZDPD3603A 典型应用电路中，R2 用于设置 I²C 地址，以允许识别系统中的多个模块。（图片来源：MPS）

表 1：不同输出电压下，图 2 所示应用电路的推荐电容值。（图片来源：MPS）

如果要在严格电磁干扰 (EMI) 法规所涵盖的产品中使用电源，可以用由三个电容器和一个电感器组成的 L-C 滤波电路代替输入电容器。（有关输入和输出滤波电路设计的更多信息，请参见 DigiKey 技术文章“使用低 EMI 开关稳压器优化高效率电源设计”。）这些元器件的值仍取决于输出电压，而制造商再一次给出了答案。（图 3 和表 2）

图 3: 带 EMI 滤波功能以符合 EN55022 B 类标准的 MPS mEZDPD3603A 应用电路。（图片来源：MPS）

表 2：不同输出电压下，上述应用电路的推荐元器件值。（图片来源：MPS）

该模块提供 4.5 至 36 V 的输入电压范围和 0.6 至 12 V 的输出。电压精度为 ±1%，线路和负载调整率（V_IN = 24 V，V_OUT = 5）为 ±1%。最大电流高达 3 A，输出电压纹波（V_IN = 24 V，V_OUT = 5 V，满载）为 30 毫伏 (mV)。表 3 总结了该模块的性能和效率数据，图 4 显示了不同效率和负载电流值的 V_OUT。

表 3：MPS mEZDPD3603A 性能参数。（图片来源：MPS）

图 4：MPS mEZDPD3603A 在 V_IN = 24 V 及 V_OUT = 3.3、5 和 12 V 时的效率数据。（图片来源：MPS）

可配置电源模块评估套件

由于 MPS 模块包含数字逻辑电路，因此可以通过更改软件参数来修改其工作性能。参数访问通过模块的 I²C 接口来实现，从该接口可以查询和更改器件 RAM 中的设置。达到所需的最佳设置后，OTP ROM 存储器可以永久存储这些设置。

MPS 提供了硬件和软件工具来支持采用该可配置电源模块的设计。主要工具是 PKT-MEZDPD3603A 硬件 EK。该 EK 的尺寸为 64 × 64 毫米 (mm)，包括输入和输出电容器（如果需要，还可选配 EMI 滤波器），以及一个用于插入可配置电源模块的连接器。连接模块后，需要为 EK 连接适当的负载和提供所需输入电压（4.5 至 36 V）的电源（图 5）。

图 5：可配置电源模块评估套件包括模块插口，且需要外部电源和负载。（图片来源：MPS）

该 EK 还需要连接到 PC，以便从 MPS 的 Virtual Bench V3.0 软件进行配置。为此，该公司提供一个 USB（PC 端）转 I²C （EK 端）适配器。USB 电缆将适配器连接到 PC，另一侧则使用 10 针带状电缆连接。EK 的 I²C 接口直接连接到模块的 I²C 引脚，并可从 PC 进行配置（图 6）。

图 6：可配置电源模块 EK 需要电源、负载，并通过 USB 转 I²C 适配器连接至 PC。（图片来源：MPS）

电源模块编程

将硬件连接至 PC（运行 Windows XP、7 或更高版本）并且计算机上安装并启动 Virtual Bench V3.0 后，开发人员将看到两个选项：一个是“Simulation & Program”（仿真和程序），此选项允许开发人员的配置在软件仿真器上而不是 EK 硬件上运行；另一个是“Direct Programming Mode”（直接编程模式）。下文将重点讨论直接编程选项，因为它让开发人员能够直接在 EK 硬件的核心配置模块。

Virtual Bench V3.0 提供了两种配置：基本配置和高级配置。在 Basic（基本）配置下，开发人员可以读取输出电压 (V)、电感值 (µH)、开关频率 (kHz) 和工作模式（例如，峰值电流模式）的现有设置。然后，开发人员可以对这些设置进行更改，并使用修改后的数值对模块的 RAM 进行编程，以及对模块加电以检查更改对其性能的影响。

类似地，在“Advanced”（高级）选项卡下，设计人员可以在以下分组中查询和更改详细的性能参数设置：

• Light-Load mode（轻负载模式）：可用模式包括高级异步调制 (AAM) 和强制连续电流模式 (CCM)。AAM 可优化轻负载或空载条件下的转换器效率，而强制 CCM 则可保持恒定的开关频率，且输出纹波较小（但在轻负载条件下效率比 AAM 低）。
• Compensation（补偿）：这些设置会改变稳压器的频率响应，而频率响应又决定器件的瞬态响应、精度和稳定性，进而决定其在输入电压、负载和占空比变化时保持设定电压输出的能力。良好的补偿可使电源在宽频率范围内保持稳定，但不会过度补偿，使动态响应变差。
• Switching（开关）：这些设置会改变稳压器开关时电压上升和下降的压摆率，以及频率抖动时间和幅度。压摆率和抖动对于最大限度地降低 EMI 都很重要。
• VIN/EN threshold（VIN/EN 阈值）：这些设置决定输入电压 UVLO 和 EN 操作的阈值限值（和滞后）。
• Power good（电源良好）：这些设置决定“电源良好”的上升阈值上限和下限以及滞后。
• SS Time（SS 时间）：软启动设置。软启动可防止稳压器在打开输出时使输入过载。
• Protection（保护）：通过这些设置，设计人员可以实现保护模式和阈值，例如峰值电流、OVP 和 OTP 等（图 7）。

图 7：MPS 的 Virtual Bench GUI 包括可配置模块的高级编程功能，用以优化模块性能，从而满足设计人员的规格要求。（图片来源：MPS）

设计人员为应用选择最佳设置后，这些信息就会写入模块的内置 RAM。然后，开发人员可以在各种负载下运行 EK 以检查其性能。要优化电源性能，只要简单地修改设置并重写到 RAM 中即可。

由于 RAM 是易失性存储器，一旦模块关闭，设置就会丢失。重新启动时，模块将以出厂默认设置启动。关闭电源前，可以将 RAM 中的信息导出至 Virtual Bench，以供将来参考。

确定最佳设置后，设计人员就可以将这些设置编程至 OTP ROM 中，使它们在断电时仍可保留，并在下次模块启动时使用。EK 仍然允许通过 I²C 接口和 RAM 进一步试验设置，但在首次使用 ROM 后，就不能再保存任何进一步的设置。

结语

虽然市面上有各种优秀的单片稳压器可供选择，但设计人员仍需要大量工作来设计和测试外围电路，以针对特定应用优化设计性能。通过将模块中完整的硬件设计与可编程数字逻辑相结合，MPS 的可配置可编程模块简化并加速了这一设计环节。

如上所述，将 EK 与基于 PC 的 GUI 相结合可以简化配置，设计人员既可以进行输出电压或电流等基本设置并将其余设置保留为出厂默认值，也可以进行更高级的开关转换器设计，以最大限度地降低 EMI 和瞬态响应，同时实现最佳稳定性和效率。

敲定设计后，即可为客户提供批量生产但未经编程的模块，让客户根据原型数据进行配置；或者，如果将配置信息提供给 MPS，则可在工厂进行编程，然后提供随时可用的模块。

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