浅谈非隔离负载点转换器模块之选择

基础原理

5V 和3.3V 电压通常都具有良好的稳压，而12V 输入的电源则可能受中间汇流排转换器(IBC)的效能主宰。在近乎稳压完成、或所谓「固定比」转换器的案例中，基本上是没有输入线性稳压的。举例而言，当正常48Vdc 电池备用电源里的容许变异范围被纳入考虑时，对应POL 转换器的输入作业范围便可放宽至9.6-14.1V。

输出额定功率

其它可使设计人员符合各种系统需求的选项，还包括固定或可变输出电压。

某些POL 系列产品，如Murata 的HEN、LEN 及LQN 系列便提供广泛的分离式输出电压，其亦可于±10%的范围内修整，让设计人员只需存取0.75V 和5.0V 之间的任何电压即可。其它系列产品也可在0.75V 至5.0V 的整个范围内进行修整，如此，只需指定针对各使用点之单一编程电阻来满足多重电压需求的单一零件料号即可，因而能简化设计阶段的认证程序以及物料管理问题。

现代的POL，一般都是依输出额定电流分类，而非输出功率。因为电流供应通常是主要限制所在。大多数情形下，只需选择一个模式，也就是能够输送等于或超过最坏情形的稳定状态负载之输出额定电流即可。

另一方面，高容量负载可能需要能大幅超过稳定状态需求的峰值电流。举例而言，输出去耦电容的效应必须加以考虑，另外，因具有大量内部闸极而呈现高电容性之FPGA 等负载亦然。为确保输出单调上升以预防假性开机重置动作(POR)，避免会降低输出电压的电流限制起始位置是必要的。在这类情形下，即需检查转换器的电流限制起始点，以及／或以采用突波限制电路的方式来减缓峰值需求量。

瞬时响应瞬时响应是一相重要性与日俱增的效能参数，尤其是特征为低核心电压、高电流汲取及快速负载切换的微处理器和FPGA 负载方面。大多数POL 技术资料文件都根据专有的准则来说明此装置的瞬时效能，如此将缺少标准化的测试条件组，对于在不同制造厂商的POL 之间进行有意义的比较时会产生影响。施加的负载瞬时大小系以最高额定输出电流的百分比来表示，其可能会随制造厂商而有不同，负载步阶的开始和结束点也是如此。举例来说，一个系统对于25-50%负载步阶时之响应可能会比对0-25%步阶时更好。此外，有些技术数据文件可能只记载正向负载步阶，而不会记载补偿性的负向斜率步阶。

通常以每微秒安培数为单位表示的指定负载步阶旋转率，也同样没有标准化。施加较慢的瞬时会让转换器和输出电容有更多的机会响应负载变化；引用的旋转率可能跨越三个以上的大小等级，从小如0.5A/μs、大至1200 A/μs皆有。某些技术数据文件甚至未提及旋转率，因而会妨碍设计人员评估其暂态响应。

输出电压回到稳定状态输出电压百分比范围内的回复时间也各有不同，有些技术数据文件记载的是2%，有些则可能引用1.5%或1%的数据。

因此，实际的测试往往有其必要，以便确认所选的POL 是否支持实际的负载瞬时。请注意，设计人员可藉由调整输出电容来改善瞬时响应 －前提是需要能维持低ESR。增加输入电容亦可强化针对更长及／或更深瞬时步阶的响应。

增加转换器相位数也可改善瞬时响应，这是靠着增加有效切换频率来使输出电感和电容变小而达成的，因为如此可减少每一相位的电流。举例来说，Murata 的JZY 系列单相位POL 可支持多达四个模块同时以500kHz、750kHz或1MHz 平行操作，以交错输出提供多相位效能。

涟波与噪声输出涟波和噪声会在输出电压构成不必要的误差。这些结果来自转换过程，其有时与 周期性电压及随机标准差(PARD) 有关，或单纯就是PARD。

就低DC 电压而言，PARD 的实际工业标准是1%（针对大于5V 的电压）或是低于5V 电压时的50mVp-p。然而，为了缩减成本和尺寸，有些零件包含的滤波较少，因此可能显示比这些数字高的极大值。大多数的POL 技术资料文件均载有符合发行规格所需的外部去耦电容（及伴随的ESR）数量。在绝大部分的案例中，额外的去耦电容都会减低输出噪声。针对这点，了解最高输出电容是相当实用的。

反射的涟波电流会显示由转换器切换动作所造成的输入电流变化。这种波动现象会因涟波电流本身而产生传导式EMI，以及从输入导体产生的幅射式EMI。此外，涟波电压会在输入电源端上感应产生电源阻抗的结果。大多数Murata 的POL 都包含内部输入电容，以降低反射的涟波电流，但我们也建议设计人员注意电路板布线，以及使用输入电容，以将涟波电流减缓效果达到最高。低ESR 将可确保减少涟波电流，例如，具备低ESR 的大型输入电容，在开机时输入轨至POL 电压开始上升，从而对自身电容充电，导致涌浪电流上升。

稳压在输出和负载间的稳压中，大多数POL 都能提供标称输出±1%以内的电压稳压，这已经比大多数应用所需要的都来得好了。遥端感测功能在维持稳压方面相当重要，在低输出电压及高输出电流的情形下，配电降低会于负载时对输出电压产生更深远的效果，此下降也会随着负载电流需求而异。只要将POL 稳压器靠近负载点配置，应可应付大多数配电降低的情形；遥端感测可应付小量剩余的降低量，并负责系统动态。

效率

POL 的效率对散热管理及设计有明显的效果，尤其是与两个相对高效率之装置相比。效率上1-2%的差异，实际上并不会造成太明显的不同效能，这点对于如80%和82%的效率来说，大体上是正确的。然而，在与假设为94%及96%的效率相较时，一个POL 就会比另一个多消耗50%，因为散热设计必须考虑效率的补码，而非效率本身。也就是说，当100%-94%=6%和100%-96%=4%作比较时，效率越接近100%，差异就越会被放大。

为了促进有效的散热设计，Murata 提供一条降低额定功率曲线，亦即画出在各种气流速及环境空气温度下所产生和排散的热量之平衡图。不过，在参考这份数据时，设计人员也应考虑个别应用的特定主题，如气流方向、阻碍物、扰流、涡电流和空气停滞区域。

封装选择

分布式电源设计的成熟程度已经抛出数种提议，欲将非隔离转换器的接脚占位标准化。主要参与者包括工业界联盟，例如负载点联盟(POLA)、分布式电压公开标准联盟(DOSA)以及Z-One 联盟。每个阵营都提出各式各样的接脚占位来配合输出电流位准的大小，且已制作出较小的SIP 和SMT 封装，让设计人员用来建制DPA。Murata Power Solutions 是DOSA 和Z-One 联盟的成员之一，并且提供符合各种已定义封装的POL。

就封装形式与材料来说，趋势倾向开放式基板型架构，以提供具价值的成本降低效果。对于需要更强固封装的应用，含散热密封材质的五边钢制机盒则是标准规范。Murata UNR 系列即为一个实例。

特性

除考虑额定功率及效能外，设计者还可从广泛的新增特性中选择，协助系统级整合及于终端产品中支持不同特性功能。共通的可用特性实例，包括：远端感测、远程开/关、输出电压同步化、输出修整、输入/输出过压保护、欲置偏压开机、状态指示器、电流限制及过热保护等。

成本

对于正在非隔离式POL 间寻找有意义成本比较的设计者，我们建议锁定在每安培成本。由于较低输出电压及较高电流俨然成为趋势，这个方向将提供最具代表性的评估方式。

关于 Murata

Murata Manufacturing Company Ltd 总部位于日本东京，为全球陶瓷零组件、传感器及AC/DC 与DC/DC 电源解决方案的领导供货商之一。该公司成立于1950 年，于全球拥有超过26,000 名员工，以及超过 49 亿美元的合并年销售额 (2007 年3 月31 日计)。不论何时、何地，Murata 的电子零组件均为您的需求运作不懈。

典型的POL 输出电压范围，通常是0.8Vdc 至5.0Vdc。一般而言，这些都是降压稳压器，其输出电压小于输入电压。除此之外，设计人员还需考虑转换器在3V 输入范围作业时的压降限制。对于典型、1.2V 左右的压降限制而言，2.5V 输出的需求可以透过5V 或12V 的输入获得满足，但3.3V 则无法达成。 任何转换器的最基本设计考虑都是输入、输出电压及电流。大多数POL 所提供的标称输入范围均为3.3V、5V 和12V。由于3.3V 和5V 电源通常都具有良好的调节，因此±10%的输入作业范围对这类应用已绰绰有余。某些产品（例如Murata Power Solutions 的LSN 和LSM系列）亦可支持更广的输入电压范围（例如3.0-5.5V 或2.4-5.5V），以适应3.3V 或5.0V 的标称输入。分布式电源架构之设计人员，可从多种非隔离负载点(POL)转换器中进行选择，以提供各式输入及输出额定功率、效率等级和特性，及多种构型。对于最终产品的效能、可靠性、成本和实体尺寸而言，作出正确的选择（而非过低或过高地定义机组规格）具有极大的影响，虽然确保适当的输入及输出额定功率是较明确的任务之一，但其它必须考虑的属性，尚包括瞬时效能、涟波与噪声、EMC 兼容性以及散热设计。