挑选完美的电力包裹

以PDF格式下载此文章。

那些患有AAA(头韵滥用疾病)的人不太可能成为电力系统设计师。为什么?因为设计电源是一项艰巨的任务，而且设计常常被拖到最后一分钟。因此，权力设计师正忙于满足一个不合理的时间表，没有时间去做这些琐碎的幻想。

为什么选择电源模块?

援助就在眼前。电源模块有助于减少开发时间，因为它将控制器、电感、功率场效应管和许多无源组件集成到一个单独的封装中。它具有低辐射和传导排放和低输出噪声，因为紧凑的设计使内部组件之间的跟踪长度最小化，并保持交流电流回路小。

与离散设计相比，模块占地面积更小，零件数量更少，从而降低了制造和库存成本。另一方面，功率模块的高集成水平确定了一些设计参数，这些参数可以在离散设计中进行微调。

1.电源模块适用于许多低到中功率应用。(资料来源:德州仪器)(点击图片放大)

图1显示了德州仪器的选集电源模块．有四种不同的封装类型，许多电压/电流组合有一个以上的产品选择。

电源模块具有不同的集成和功率水平。德州仪器提供216份，范围从micro-SIP设计以BGA包装装满开放式的设计可以输送50个A。许多模块都有固定的输出电压，不需要外部组件。

图2展示了一种最新的产品TPSM84A22，一个高度集成，同步，降压10-A电源模块，包括输入和输出电容。一个完整的解决方案只需要一个外接电阻来设置输出电压，输入12v时，输出电压范围为1.2 ~ 2.05 V。

2. TPSM84A22电源模块需要一个外部电阻来设置输出电压;其他组件是可选的。（来源：德州仪器）

TPSM8A22是一个成员迅速DC-DC模块的系列和带集成FET的开关转换器。Swift产品组合专为负载点（POL）应用而设计，并处理高达20 V的输入电压，最多可达40 A的输出电流。它支持评估模块和WebEnench在线设计软件。

如何比较电源模块的数据表规格

对于特定的应用，可能会有来自不同制造商的几个电源模块可用。当您试图为您的设计评估电源模块时，仔细查看它们的数据表是很重要的，以确保您确实得到了真正的性能比较。

维基百科的定义具体意义作为“......使用规范或测量结果，以便在不存在这种优势时建立一个实体的推定优势。”什么可能有资格作为“模拟” - 至少在比较电源模块时要小心的数据表项目？

包大小与解决方案大小

3.TPSM84A22布局(右)与替代电源模块的布局进行了比较:外部组件使“较小”的解决方案变得相当大。（来源：德州仪器）

许多空间受限应用的设计者基于其小尺寸选择电源模块，因此在编写数据表时诱人诱人，以便为特定功率电平进行特定模块是最小的。这一切都很好，但你需要超越包装尺寸，以确定完整解决方案的印刷电路板（PCB）占地面积。许多这样的“最小”模块需要输入和输出电容等外部组件，以实现引用的性能。

TPSM84A22的QFM封装尺寸为9 × 15mm，比其他类似规格的模块尺寸为10 × 10mm的模块要大得多。但TPSM84A22包括14.2µF和135µF的陶瓷输入和输出电容，如果较小的模块需要外部输入和输出电容，可能会消耗更多的板空间。

图3将两者与实际设计进行比较。TPSM84A22解决方案达到190毫米²与495毫米的其他选项²．

您可能想知道为什么制造商不仅仅将这些额外的组件集成到他们的模块中。

在某些情况下，模块切换频率低于TPSM84A22的2 MHz，可能在数百千赫兹范围内。低频需要更大的输入和输出电容，以分别降低输入电压纹波和改善负载瞬态响应。将这些较大的组件放入所需的模块包中可能是不可行的。

在其他情况下，模块设计者选择让特定功能用户可调节。例如，许多模型在TI的简单切换电源模块系列允许开关频率由外部电阻设置。

顺便提及，电源模块可能并不总是最小的解决方案;这取决于应用程序。正如我们之前提到的，电源模块修复了一些设计参数：这减少了包装尺寸，因为设计者不需要为外部组件提供引脚。另一方面，设计人员必须引脚所有可选功能，从而增加包装大小。

这就是离散解决方案的灵活性可以用于您的优势的地方。例如TPS54A2010-A降压转换器位于TPSM84A22的核心。德州仪器有一个tps54a20参考设计输出10 A但仅占135毫米²．该设计包含了与模块本质上相同的组件，但布局更紧凑，因为它不必考虑未使用的功能;参考设计中，5个TPS54A20引脚是开着的。

效率

电源模块的效率是需要仔细检查的另一个指标。它取决于许多因素，包括应用程序设计者所做的选择。

大多数数据表包括多个图形和表格，显示效率如何随输出电压、电流和其他参数而变化。工作频率对效率也有影响，因为更高的频率会导致更高的开关损耗。此外，在许多模块中开关频率是可调的，您可以为给定的输出电压和电流选择几个频率，特别是当您需要同步多个设备时。

例如LMZ31503电源模块可输出1.5 V，同步频率330 ~ 780 kHz。见图4，只有一些流行的参数组合出现在数据表中。即使您必须生成自己的测试数据，也要确保您获取应用程序的切换频率的数字。

4.在电源模块(如LMZ31503)中，改变给定电压和电流的开关频率也会影响效率，但这通常不会在数据表图中明确显示。（来源：德州仪器）

当比较两个电源模块时，请注意，一个模块可以包括牺牲效率的一些特征，以便减少分量计数。例如，TPSM84A22及其伴随TPSM84A21都包括内部LDO，以产生输出功率FET的栅极驱动器电源电压。如果目标是最大效率，则应在外部提供此电压。内部LDO增加了功耗并降低了效率约1.5％(图5)．

5.电源模块的效率也取决于内部LDO调节器。（来源：德州仪器）

瞬态响应

电源模块对瞬态负载的响应是另一个难以精确量化的参数，所以很多制造商(是的，甚至TI)都采用了老式的“快速瞬态响应”。

模块的瞬态性能取决于几个参数，包括其输出电容。输出电容的一个功能是当模块不能足够快地提供所需的瞬态电流。对于带有外部电容的模块，数据表应该指定用于绘制负载瞬态曲线的值。确保这些值与您的应用程序一致。如果没有，就需要进行更多的测试。

如果你正在评估的模块集成了输入和输出电容，验证电路没有仅仅为瞬态测试增加更多的电容。如果是这样，很有可能你也得这么做。与所有类似的器件一样，TPSM84A22的负载瞬态响应可以受益于额外的输出电容，但数据表中的曲线仅绘制了内部组件。

图6为TPSM84A22在两种输出电压下瞬态响应曲线的变化情况。在数据表的另一组曲线中，响应也随着负载的旋转速率而变化。

6.图中是TPSM84A22仅使用内部电容时的负载瞬态性能。试验条件为:Vin = 12 V;负载阶跃= 5 A;旋转速率= 5 A/µs(来源:德州仪器)

结论

电源模块提供设计人员，可选择集成电源解决方案。模块可提供来自多个供应商的多种形式因子。但是在评估模块时，您应该知道有几个数据表参数，以便您可以进行有意义的比较。