系統或電路板的配電網絡（也就是電源樹）設計經常在集中式和分散式之間轉換。技術和元器件的發展，以及設計要求的變化，推動了這種反復的轉換。如果設計人員主要關注的是節省空間來提供其他功能，則可選擇使用微型 DC-DC 轉換器，它們具備其他的優點。

這些微型 DC-DC 轉換器的其他優點包括：讓設計人員能夠靈活地重新評估電源樹拓撲；對板布局造成的約束較少；能夠提高性能和效率；并且節省板空間。

本文將討論超小型 DC-DC 轉換器的作用，然后介紹一些示例器件，以及如何最好地應用此類器件。

為什么轉向采用超小型轉換器？

過去設計人員一般使用較大的中間總線轉換器 (IBC) 為相對較大的負載點 (POL) 轉換器供電，然后再由這些轉換器為包含多個 IC 的相對較大的子系統供電，隨著微型降壓（降壓模式）DC-DC 電源轉換器的問世，設計人員逐漸摒棄了這種傳統的做法。

取而代之的是，設計人員現在可以選擇使用高度分散的微型轉換器，并將其放置在臨近負載的位置，這些負載可能只是單個 IC 及其支持元件。

使用這些高度分散的 DC-DC 轉換器是出于兩個原因。首先，新的微型元器件、更高的工作頻率（達到兆赫茲 (MHz) 范圍）、先進的制造技術、增強的封裝的出現，讓我們能夠獲得性能出色且易于使用的 DC-DC 轉換器。其次，通過這種方式提供電源軌，還能為電路設計、整體電路板布局和最終產品帶來諸多重要和次要的好處。

此外，雖然使用多個小型轉換器看似不太直觀，但能夠真正減小電源子系統的封裝尺寸，節省印刷電路板空間，并提供增加特性和功能的機會。

了解細節

我們來了解一下與這些轉換器相關的性能和尺寸規格。例如，Texas Instruments的LMZ10501“納米”模塊是一種降壓 DC-DC 轉換器，能夠驅動高達 1 安培 (A) 的負載（圖 1）。

圖 1：Texas Instruments 的 LMZ10501 DC-DC 轉換器能夠提供最高 1 A 的電流，效率高達 95%。（圖片來源：Texas Instruments）

雖然達到這樣的輸出額定值，但它仍然是名副其實的“納米”元件，因為它采用的是 8 引腳 3.00 毫米 (mm) × 2.60 mm μSIP 封裝，其中包括電感器（圖 2）。

圖 2：LMZ10501 DC-DC 穩壓器采用 3.00 mm × 2.60 mm 的 μSIP 封裝，其中包括電感器。仰視圖顯示了它的觸頭（左圖）；俯視圖主要顯示了電感器（右圖）。（圖片來源：Texas Instruments）

LMZ10501 并非裸器件，它包含基于內部限流功能的軟啟動功能，以及電流過載保護和熱關斷功能。在包括基本操作的典型應用中，它只需要輸入電容器、輸出電容器、小型 VCON濾波電容器和兩個電阻器（圖 3）。一體式電感器的直流電流額定值為 1.2 ADC，支持的“軟”飽和電流高達 2 A。

圖 3：LMZ10501 只需三個小型電容器和兩個電阻器即可工作；相對較大的電感器是 IC 本身的一部分。（圖片來源：Texas Instruments）

外部電容器的選擇需要慎重考量。為了在尺寸、成本、可靠性和性能之間達到最佳平衡，輸入和輸出濾波器都應該是低 ESR 的 MLCC 元器件。單個 10 微發 (μF) 電容器（0603 或 0805 規格）的額定電壓為 6.3 或 10 伏特，通常適合 VIN旁路；也可以使用多個 4.7 μF 或 2.2 μF 電容器。

請注意，選擇電容值過小的電容器可能由于回路相位裕量較低而導致不穩定。相反，如果輸出電容器過大，可能導致啟動順序結束時的輸出電壓無法達到要求的 0.375 伏特。使用大于推薦值的電容值不會帶來明顯的好處。

了解尺寸影響

由于電路板空間很小，設計人員可以改變他們的思路，尋找為不同 IC 和其他元器件供電的新方法。這種 μSIP 器件不是將大型電源放置在遠離負載的位置（例如印刷電路板的角落），而是在非常靠近負載的位置完成末級穩壓。這些器件的另外一大好處是，能夠與標準貼片機和焊臺完全兼容。

使用多個小型轉換器如何節省空間？它們節省空間的地方有些很明顯，有些則不然：

由于大量的穩壓操作現在是在負載局部完成的，因而可以減少上游電源對高價值、大體積的大容量電容器的需求。

它們允許根據上游 DC-DC 或 AC/DC 電源單元的具體負載情況，量身定制最終的直流電源軌。

由于直流電源軌的位置靠近負載，因而減少了對電源軌上小型旁路電容器的需求。事實上，靠近負載的超微型 DC-DC 轉換器不僅提供所需的功率，還能部分或完全充當旁路電容器的角色。

由于它們的位置靠近負載，因而改善了瞬態響應。

這些轉換器的尺寸可以單獨進行調整，以達到負載和效率之間的最佳平衡。這能提高總體效率，增加散熱面積，并減少對風扇或散熱器的需求。

這些器件非常薄，因而可以放置在印刷電路板的底部，即使電路板在間距很近的機架或纖薄的外殼中也不受影響。此外，它們還能增強布局靈活性，從而實現節省空間的設計。

它們可以大幅減少“嘈雜”IC 和靈敏 IC 之間的串擾和噪聲。

雖然這些轉換器沒有進行電氣隔離，但如果需要小型隔離式轉換器，只需針對隔離的功能調整尺寸即可。

最后，還能減少對更寬電路板印制線的需求，從而減少 IR 壓降和直流電源軌上的寄生效應，防止它們影響負載側的瞬態性能。

請注意，這些微型 DC-DC 轉換器不僅僅適用于 1 A 以下的負載。例如，同樣來自 Texas Instruments 的TPS82130MicroSiP? 電源模塊可從 3 至 17 伏的輸入提供 3 A 的輸出電流，集成了同步降壓轉換器和電感器，并提供 0.9 至 6 伏的可調節輸出電壓（圖 4）。

圖 4：來自 Texas Instruments 的 TPS82130 DC-DC 模塊僅需要少量外部無源元器件，即可從 3 至 17 伏的直流輸入實現高達 3 A、0.9 至 6 伏（用戶可調節） 的輸出。（圖片來源：Texas Instruments）

請勿讓這里的“模塊”字眼所誤導，該器件的尺寸僅為 3.0 mm × 2.8 mm × 1.5 mm。相應的性能曲線顯示，總體效率在稍高于 1 A 的位置達到峰值，并且在不超過 3 A 滿額定值前保持較高水平（圖 5）。

圖 5：只要在較高的負載下工作，TPS82130 DC-DC 的效率就能達到約 60% 或更高的水平，并且在高于 1 A 后達到峰值，因而可以調整尺寸以實現與負載的最優匹配。（圖片來源：Texas Instruments）

解決相對時序問題

當系統有多個電源軌時，往往存在與彼此的開啟/關斷時序相關的問題。時序有三種基本類型：順序、比率和同步，另外還有各自的變型。所有這些時序都可以使用 TPS82130 上的使能 (EN) 引腳和軟啟動/跟蹤 (SS/TR) 引腳以及一些電阻器和/或電容器來實現（為簡單起見，我們假定只有兩個電源軌）。

在順序時序中，第二個器件僅在第一個器件

達到穩壓狀態后才會開啟（圖 6）。

圖 6：多個 TPS82130 單元可以配置為順序時序，其中左側的穩壓器先于右側的穩壓器開啟。注意：圖中的 IC 標記為 TPS62130，TPS82130 已改進規格，但仍保持相同的功能和引腳分配。（圖片來源：Texas Instruments）

在比率時序中，兩個輸出電壓同時開始，并同時達到穩壓狀態（圖 7）。之所以稱為“比率”時序，是因為兩個電壓通常是不同的，因而具有不同的 dV/dt 斜率，但它們之間的比率是一個常數。

圖 7：在比率時序配置中（左圖），第二個電壓上升與第一個電壓上升同時開始和結束（右圖），兩者之間呈固定比率。（圖片來源：Texas Instruments）

最后，在同步啟動模式下，兩個輸出電壓的斜率是相同的，因而電壓在不同的時間到達穩壓狀態（圖 8）。

圖 8：在同步模式中，兩個電壓同時開始上升，但在不同的時間到達穩壓狀態。（圖片來源：Texas Instruments）

除了相對啟動順序之外，我們可能還會關注“軟啟動”（上電時的電壓上升速度），以及實際軌電壓彼此之間的相對跟蹤。TPS82130 還利用其 SS/TR 連接對此預先做了安排。

如何利用新節省的空間呢？

關于如何利用新節省的空間，存在很多可能性，但選擇正確的方式取決于應用的優先級。對于很多設計，首要的考慮是提高電氣和機械穩健性，在空間狹小的情況下經常會犧牲這些方面。

這可能意味著在易出故障的 I/O 線路上增加電源箝位和撬棒電路、瞬態電壓抑制器和反極性保護。在機械方面，增加額外的印刷電路板支撐和固定螺絲、固定件、電池夾和進行其他結構性改進，這些方法都能有效地利用空間。

接下來需要考慮增加可能有用的額外功能。現在或許有空間放置稍大一些的電池、更大的顯示屏和驅動器 IC、更多的 LED 指示燈，甚至增加用戶按鈕。或許現在還可以選擇更大的存儲器，即便它需要更大的 IC 封裝。使用這些微小的局部 DC-DC 轉換器，我們可以節省足夠的空間以提供更多的功能，特別是現在增強了板布局的靈活性。

總結

有時，少可能出乎意外的意味著多。隨著超微型 DC-DC 降壓轉換器的問世，我們可將穩壓功能放在非常靠近負載的位置，這可能在電氣性能、板布局、上游電源單元的尺寸和類型以及散熱性能等方面引發連鎖效應。

使用超微型轉換器會帶來一種衍生效應，即它能夠在設計的固定外殼中騰出更多板空間，從而實現其他的電氣和機械改進，增加新的特性和功能。