谁说元器件越少就越好？

Mark Davidson 市场营销总监 电源管理产品部门 美国国家半导体

是什么因素使功率管理IC设计起来更容易？我经常听到有人说集成度和元器件数量是决定性因素。“……这种IC的外围元器件数量更少，所以易于设计。”我同意，有时这是正确的，但并非总是正确。工程师总是只相信这个规则——而应该考虑从设计、实施到将电源投入量产的整个流程。

当我们讨论这两个几乎与所有电子系统都相关的因素，那么我可以证明，正确的说法只能是“适当的”外部元器件数量才能使电源设计起来更加容易。

让我们从为数字IC供电是DC-DC电源管理最常用的应用这一点来开始讨论。随着数字领域的技术的不断发展，电源的设计和生产变得越来越复杂。例如，稳压误差范围变得越来越微小，而且经常是在终端系统开发的后期才被确定。所以，可调节的输出电压(需要2个外部电阻)常常在设计得最后时刻帮助设计人员摆脱困境，因为经常是这个时候他们才意识到，在低的电源电压范围上运行IC才能降低降低功耗。采用外部反馈电阻器就可实现调节，如果我们往更深一层看的话。如果系统设计人员选择在电源电压范围的低端运行数字IC，并且数字IC的负载为动态变化的载荷(实际上大多数数字IC都是如此)，则进行外部补偿使得系统设计人员可以调节环路响应，从而确保处理器的电源电压永远不会低于允许的范围。

我们现在再考虑设计人员所面对的尺寸限制问题。由于系统功能不断增加，而其外形尺寸却没有增大，因此，尺寸问题变得越来越棘手。初学者可能会认为，较少的元器件数量只能实现小方案，但在通常并非如此。如果系统设计人员想为每个电源选择能够提供合适的输出电流并工作在合适的输入电压范围内的最高工作频率、高集成度的功率管理IC，则照此选好器件后，也许设计人员能够轻松地进行小型电源的设计。

无疑，设计人员将很难找到许多能够满足上述这些要求的IC。而更加困难的则是，如何区分这些IC之间未透露的细微差别。一个更好的解决方案是将具有一系列电压范围和输出电流的产品系列并与可调节开关频率结合起来。通过这种方法，每个电源的设计可以实现尺寸和效率的合理折衷。如果该产品系列还包括外部环路补偿，我们还可以解决上面提到的瞬态响应问题。

对此也有许多不同的意见。其中的一种意见认为，这些元器件中的每一个都必须仔细进行计算，而许多工程师却没有足够的经验和信心来完成这项工作。

另一个意见是关于尺寸的，如图1所示。



外部元器件会占用空间，不过外部环路补偿和其它可调节参数的实现可以采用极小的陶瓷电容器和电阻器，其外形尺寸不会大于0805。通常情况下，这种尺寸的元器件可以分布在非常小的空间里。当然，我们必须认识到，当进行特定的尺寸/效率之间的折衷时，可以选用尽可能高的开关频率来实现尺寸节约。或许这是没有在产品数据表中没有给出电源元器件尺寸比例的IC制造商的错。输出电容器的尺寸与环路补偿电容器的尺寸并不相同。工程师应该明白，以更高的频率运行开关稳压器以降低空间要求的同时，会导致效率的降低(如图2所示)。



还有一个不同意见是关于可靠性的。每个元器件对系统的可靠性都有影响。我们知道，无源元件是最可靠的元件，再考虑到精密芯片能够实现的精度，我要说的是，与只是用了几个额外的无源器件相比，在无法满足特定应用所要求的具体性能指标的电源中将有更多的可靠性问题。特别是，相比添加几个元器件所引起的问题来讲，一个没有适当冗余度的无优化电源会带来更高的可靠性风险。

那么，我同意如果系统设计人员必须是熟悉各种电源的专家，上述观点将很难站住脚。正是这些地方我们必须利用在线设计工具，并根据系统设计人员指定的特定优先级，来进行相关计算。当我们将国家半导体公司SIMPLE SWITCHE稳压器家族新加入的具有卓越性能和灵活性的产品与WEBENCH高级在线设计工具结合在一起时，系统设计人员才真正拥有了设计电源的一套简单方法。

我看到越来越多对电源模块的要求。设计一个“没有”外部元件的电源是非常夸张的。如果每件事都像计划的那样进行(或者像希望的那样)，那么模块电源将是可接受的选择。例如，如果一名设计工程师从事某产品的第2代或第3代设计，存在大问题的可能性很小，则在有可用空间的前提下，模块可能有工程上的意义，但它可能不具备商业上的意义。由于设计工程师是要为新的应用设计新的电源，因此建议设计带有不同选项和灵活性的电源。

随着科技的进步，对电源的需求也不断增加。当你的时间非常紧张，而你必须完成一个或多个电源设计时，不要期望设计成元器件数量最少的电源。尽管这看上去似乎是最简单的途径，但此后会造成诸多问题，因为不具备可以应对“难题”的灵活性。当与在线设计工具相结合时，选择开关稳压器，它可使你快速、轻松地做出重要的折衷决策，而且在得到返回的原型后，让你具有一定的调整空间，而且实现过程中只需很少的调试，整个系统的运行将会更加完美。

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