淺談非隔離負載點轉換器模塊之選擇

基礎原理

5V 和3.3V 電壓通常都具有良好的穩(wěn)壓，而12V 輸入的電源則可能受中間匯流排轉換器(IBC)的效能主宰。在近乎穩(wěn)壓完成、或所謂「固定比」轉換器的案例中，基本上是沒有輸入線性穩(wěn)壓的。舉例而言，當正常48Vdc 電池備用電源里的容許變異范圍被納入考慮時，對應POL 轉換器的輸入作業(yè)范圍便可放寬至9.6-14.1V。

輸出額定功率

其它可使設計人員符合各種系統(tǒng)需求的選項，還包括固定或可變輸出電壓。

某些POL 系列產品，如Murata 的HEN、LEN 及LQN 系列便提供廣泛的分離式輸出電壓，其亦可于±10%的范圍內修整，讓設計人員只需存取0.75V 和5.0V 之間的任何電壓即可。其它系列產品也可在0.75V 至5.0V 的整個范圍內進行修整，如此，只需指定針對各使用點之單一編程電阻來滿足多重電壓需求的單一零件料號即可，因而能簡化設計階段的認證程序以及物料管理問題。

現(xiàn)代的POL，一般都是依輸出額定電流分類，而非輸出功率。因為電流供應通常是主要限制所在。大多數(shù)情形下，只需選擇一個模式，也就是能夠輸送等于或超過最壞情形的穩(wěn)定狀態(tài)負載之輸出額定電流即可。

另一方面，高容量負載可能需要能大幅超過穩(wěn)定狀態(tài)需求的峰值電流。舉例而言，輸出去耦電容的效應必須加以考慮，另外，因具有大量內部閘極而呈現(xiàn)高電容性之FPGA 等負載亦然。為確保輸出單調上升以預防假性開機重置動作(POR)，避免會降低輸出電壓的電流限制起始位置是必要的。在這類情形下，即需檢查轉換器的電流限制起始點，以及／或以采用突波限制電路的方式來減緩峰值需求量。

瞬時響應瞬時響應是一相重要性與日俱增的效能參數(shù)，尤其是特征為低核心電壓、高電流汲取及快速負載切換的微處理器和FPGA 負載方面。大多數(shù)POL 技術資料文件都根據專有的準則來說明此裝置的瞬時效能，如此將缺少標準化的測試條件組，對于在不同制造廠商的POL 之間進行有意義的比較時會產生影響。施加的負載瞬時大小系以最高額定輸出電流的百分比來表示，其可能會隨制造廠商而有不同，負載步階的開始和結束點也是如此。舉例來說，一個系統(tǒng)對于25-50%負載步階時之響應可能會比對0-25%步階時更好。此外，有些技術數(shù)據文件可能只記載正向負載步階，而不會記載補償性的負向斜率步階。

通常以每微秒安培數(shù)為單位表示的指定負載步階旋轉率，也同樣沒有標準化。施加較慢的瞬時會讓轉換器和輸出電容有更多的機會響應負載變化；引用的旋轉率可能跨越三個以上的大小等級，從小如0.5A/μs、大至1200 A/μs皆有。某些技術數(shù)據文件甚至未提及旋轉率，因而會妨礙設計人員評估其暫態(tài)響應。

輸出電壓回到穩(wěn)定狀態(tài)輸出電壓百分比范圍內的回復時間也各有不同，有些技術數(shù)據文件記載的是2%，有些則可能引用1.5%或1%的數(shù)據。

因此，實際的測試往往有其必要，以便確認所選的POL 是否支持實際的負載瞬時。請注意，設計人員可藉由調整輸出電容來改善瞬時響應 －前提是需要能維持低ESR。增加輸入電容亦可強化針對更長及／或更深瞬時步階的響應。

增加轉換器相位數(shù)也可改善瞬時響應，這是靠著增加有效切換頻率來使輸出電感和電容變小而達成的，因為如此可減少每一相位的電流。舉例來說，Murata 的JZY 系列單相位POL 可支持多達四個模塊同時以500kHz、750kHz或1MHz 平行操作，以交錯輸出提供多相位效能。

漣波與噪聲輸出漣波和噪聲會在輸出電壓構成不必要的誤差。這些結果來自轉換過程，其有時與 周期性電壓及隨機標準差(PARD) 有關，或單純就是PARD。

就低DC 電壓而言，PARD 的實際工業(yè)標準是1%（針對大于5V 的電壓）或是低于5V 電壓時的50mVp-p。然而，為了縮減成本和尺寸，有些零件包含的濾波較少，因此可能顯示比這些數(shù)字高的極大值。大多數(shù)的POL 技術資料文件均載有符合發(fā)行規(guī)格所需的外部去耦電容（及伴隨的ESR）數(shù)量。在絕大部分的案例中，額外的去耦電容都會減低輸出噪聲。針對這點，了解最高輸出電容是相當實用的。

反射的漣波電流會顯示由轉換器切換動作所造成的輸入電流變化。這種波動現(xiàn)象會因漣波電流本身而產生傳導式EMI，以及從輸入導體產生的幅射式EMI。此外，漣波電壓會在輸入電源端上感應產生電源阻抗的結果。大多數(shù)Murata 的POL 都包含內部輸入電容，以降低反射的漣波電流，但我們也建議設計人員注意電路板布線，以及使用輸入電容，以將漣波電流減緩效果達到最高。低ESR 將可確保減少漣波電流，例如，具備低ESR 的大型輸入電容，在開機時輸入軌至POL 電壓開始上升，從而對自身電容充電，導致涌浪電流上升。

穩(wěn)壓在輸出和負載間的穩(wěn)壓中，大多數(shù)POL 都能提供標稱輸出±1%以內的電壓穩(wěn)壓，這已經比大多數(shù)應用所需要的都來得好了。遙端感測功能在維持穩(wěn)壓方面相當重要，在低輸出電壓及高輸出電流的情形下，配電降低會于負載時對輸出電壓產生更深遠的效果，此下降也會隨著負載電流需求而異。只要將POL 穩(wěn)壓器靠近負載點配置，應可應付大多數(shù)配電降低的情形；遙端感測可應付小量剩余的降低量，并負責系統(tǒng)動態(tài)。

效率

POL 的效率對散熱管理及設計有明顯的效果，尤其是與兩個相對高效率之裝置相比。效率上1-2%的差異，實際上并不會造成太明顯的不同效能，這點對于如80%和82%的效率來說，大體上是正確的。然而，在與假設為94%及96%的效率相較時，一個POL 就會比另一個多消耗50%，因為散熱設計必須考慮效率的補碼，而非效率本身。也就是說，當100%-94%=6%和100%-96%=4%作比較時，效率越接近100%，差異就越會被放大。

為了促進有效的散熱設計，Murata 提供一條降低額定功率曲線，亦即畫出在各種氣流速及環(huán)境空氣溫度下所產生和排散的熱量之平衡圖。不過，在參考這份數(shù)據時，設計人員也應考慮個別應用的特定主題，如氣流方向、阻礙物、擾流、渦電流和空氣停滯區(qū)域。

封裝選擇

分布式電源設計的成熟程度已經拋出數(shù)種提議，欲將非隔離轉換器的接腳占位標準化。主要參與者包括工業(yè)界聯(lián)盟，例如負載點聯(lián)盟(POLA)、分布式電壓公開標準聯(lián)盟(DOSA)以及Z-One 聯(lián)盟。每個陣營都提出各式各樣的接腳占位來配合輸出電流位準的大小，且已制作出較小的SIP 和SMT 封裝，讓設計人員用來建制DPA。Murata Power Solutions 是DOSA 和Z-One 聯(lián)盟的成員之一，并且提供符合各種已定義封裝的POL。

就封裝形式與材料來說，趨勢傾向開放式基板型架構，以提供具價值的成本降低效果。對于需要更強固封裝的應用，含散熱密封材質的五邊鋼制機盒則是標準規(guī)范。Murata UNR 系列即為一個實例。

特性

除考慮額定功率及效能外，設計者還可從廣泛的新增特性中選擇，協(xié)助系統(tǒng)級整合及于終端產品中支持不同特性功能。共通的可用特性實例，包括：遠端感測、遠程開/關、輸出電壓同步化、輸出修整、輸入/輸出過壓保護、欲置偏壓開機、狀態(tài)指示器、電流限制及過熱保護等。

成本

對于正在非隔離式POL 間尋找有意義成本比較的設計者，我們建議鎖定在每安培成本。由于較低輸出電壓及較高電流儼然成為趨勢，這個方向將提供最具代表性的評估方式。

關于 Murata

Murata Manufacturing Company Ltd 總部位于日本東京，為全球陶瓷零組件、傳感器及AC/DC 與DC/DC 電源解決方案的領導供貨商之一。該公司成立于1950 年，于全球擁有超過26,000 名員工，以及超過 49 億美元的合并年銷售額 (2007 年3 月31 日計)。不論何時、何地，Murata 的電子零組件均為您的需求運作不懈。

典型的POL 輸出電壓范圍，通常是0.8Vdc 至5.0Vdc。一般而言，這些都是降壓穩(wěn)壓器，其輸出電壓小于輸入電壓。除此之外，設計人員還需考慮轉換器在3V 輸入范圍作業(yè)時的壓降限制。對于典型、1.2V 左右的壓降限制而言，2.5V 輸出的需求可以透過5V 或12V 的輸入獲得滿足，但3.3V 則無法達成。 任何轉換器的最基本設計考慮都是輸入、輸出電壓及電流。大多數(shù)POL 所提供的標稱輸入范圍均為3.3V、5V 和12V。由于3.3V 和5V 電源通常都具有良好的調節(jié)，因此±10%的輸入作業(yè)范圍對這類應用已綽綽有余。某些產品（例如Murata Power Solutions 的LSN 和LSM系列）亦可支持更廣的輸入電壓范圍（例如3.0-5.5V 或2.4-5.5V），以適應3.3V 或5.0V 的標稱輸入。分布式電源架構之設計人員，可從多種非隔離負載點(POL)轉換器中進行選擇，