如何快速了解预采购的电源器件性能？

作者：Doctor M

自第二次工业革命之后，人类社会的发展和电能深度绑定，电气/电子设备被广泛应用于工业、医疗、能源、交通、民生等各个领域。随着用电设备从单一回路逐渐演变成为系统，将电能合理、有效地分配给系统中的每个器件尤为重要。一个优秀的电源管理系统不仅能够保障系统的用电安全，更是设备做到高效节能的关键所在。

众所周知，搭建电源管理系统是一个复杂的工程，不仅要考虑设备内单一器件的输入电压、输出电压和电流等参数指标，还要从设备能效、系统参数以及散热等方面进行优化设计，同时干扰问题也要考虑周全。

电源管理器件的创新/选型

从产品类别上来看，电源管理器件主要分为电源管理IC和分立式电源器件。前者包括了输出电路、输入电路、反馈电路、驱动电路和保护电路等涉及的多类别、多型号IC器件；后者则主要是我们常常提到的功率半导体器件。

我们在谈论电源管理器件的时候，第一个重要的议题是能效管理。系统的电能消耗是单位时间内能源消耗和时间的乘积，因此降低不必要器件的供电时间和单一器件/模块的功耗是解决问题的两大着力点。在电源管理器件设计方面，提升能效主要优化的点在于更高的开关频率、更低的静态电流、更先进的栅极驱动器和更小的无源器件等。

EMI是第二个要重点关注的问题，主要是系统的噪声和干扰。随着系统集成度和DC/DC开关速度的提高，低EMI的重要性不言而喻，在汽车、工业领域尤甚。通过集成旁路电容和采用高电源抑制比稳压器等方式，能够有效地降低系统产生的EMI，并简化方案设计。

第三大发展趋势是集成保护，在系统方案设计的过程中，我们能够看到各种保护电路设计。如今先进的电源管理器件集成各种保护功能，如欠压保护、过压保护、限流保护、短路保护和过热保护等。模块电源更是会采用隔离式设计，既能够屏蔽外部设备的干扰保持电源信号完整性，又可以保护设计和操作人员的用电安全，同时节省布板空间。

第四点，各类型电源管理器件在高效率、低EMI、高集成保护等创新之下，也在着力改进封装设计，以求在更小型、可靠的封装中容纳更多的创新元素，进而让器件本身和采用该器件的方案拥有更高的功率密度。在这方面，小型封装带来的散热问题是一大挑战，制造商也在投资开发具有更好散热性能的封装形式。

在一些特殊的领域，比如医疗和电子/电力产品等领域，低漏电流、少寄生电容、高隔离电压和低隔离电容等共性特征是做电源管理器件选型必须要重视的，以达到超过其他行业的EMC性能。

除了产品特征参数的考虑，在打造完整的电源系统时，也要综合看器件的拓扑电路，这和电器件创新是相辅相成。一般而言，各类型电源管理器件都会有自己的成熟拓扑，以DC-DC转换器为例，定压输入多选用Royer电路，宽输入范围则有Flyback拓扑和Forward拓扑。这些成熟的拓扑结构经历了时间的考验，是系统电路稳定的保障。

当然，为追求更高功率密度，制造商也在进行拓扑电路的创新，以帮助用户方案实现更小的体积，这是提升功率密度的主要方式。在此过程中，无源器件是主要的优化点，尤其是电感和电容，与器件的集成度和开关频率息息相关。

在器件集成方面，拥有先进栅极驱动器的器件会使拓扑电路中的环路电感明显减小，一些器件集成的电容器同样有减小环路电感的作用；此外通过3D堆叠的形式，将电容和电感直接集成在器件内部，能够明显简化拓扑电路和系统电路。因此，当选定的电源管理器件为高集成度器件时，无源器件数量的减少或者体积的减小将使得用户方案在功率密度上有明显的优势。

在开关频率方面，更高的开关频率不仅意味着更出色的能效，同时每个开关周期储存和释放的能量就更少，电感和输出电容就可以减小，进而在拓扑电路和系统电路上减小方案的尺寸。

需要注意的是，用户在做电源管理器件性能评定时，无法像比较处理器/控制器芯片一样，通过特征参数中的工艺、工作频率、功耗、GPIO丰富度等就可以大致判断出自己需要哪颗芯片。对于电源管理器件而言，与之相应的开发工具是准确掌握器件性能的捷径。

快速了解电源管理器件

接下来，我们通过具体的产品来看一下工程师在做电源管理器件选型时会遇到的实际困难，以及开发工具扮演的重要角色。

稳压器和它丰富的分类

作为被设计用来自动维持恒定电压的装置，相信工程师朋友们对稳压器肯定不陌生。稳压器能够将输入电压高效转化成为所需要的输出电压，具有升压、降压和稳压的作用。在产品分类上，稳压器包括开关稳压器、线性稳压器以及集成 DC-DC 控制器、功率晶体管、输入与输出电容器、补偿组件和电感器在一个封装里面的稳压器模块。每一个类型下方又会包含丰富的子系列，比如开关稳压器就会有升压型稳压器、降压型稳压器和反相稳压器等。

当我们通过产品参数层层选拔最终选定一款稳压器之后，如何确定它就是自己需要的呢？又如何对该款稳压器的性能有一个准确的把控呢？

比如当我们选定贸泽电子在售的来自制造商ADI的LTC3310HV#WPBF降压型开关稳压器，这款器件的输出电压范围为500 mV-5.5 V，输入电压范围为2.25V-5.5 V，输出电流为10A，开关频率为5 MHz。很明显，这款器件是输入和输出电压都动态可调的开关稳压器，将其放置到稳压电路中表现如何呢？

图1：LTC3310系列稳压器电路原理图（图源：ADI）

不必犯难，有了ADI的DC3042A演示板我们就可以从真实电路的工作表现评定LTC3310 10A低压同步降压型稳压器的具体表现。

图2：DC3042A演示板（图源：ADI）


图3：DC3042A演示板电路原理图（图源：ADI）

DC3042A演示板设置为以2 MHz的开关频率在强制连续模式下运行，也可以配置为pulse-skipping模式和不同的开关频率。通过DC3042A演示板，工程师朋友们可以感受到LTC3310系列稳压器超低辐射、高效率和高速同步等性能优势，体验基于Silent Switcher技术打造的快速电流环路。

ADI的Silent Switcher技术在高效率、EMI限制方面有着突出的优势，其能够在大于2MHz的高开关频率下提供95%的高效率，并能够帮助系统方案轻松超越CISPR 25 Class 5峰值EMI限制的要求。

当DC3042A演示板运行之后，通过图4能够看出LTC3310系列稳压器在效率和负载电流方面的表现，其中蓝色线条为强制连续模式，红色线条为脉冲跳跃模式。

图4：LTC3310稳压器效率和负载电流表现（图源：ADI）

图5展示出LTC3310系列稳压器在负载阶跃响应方面的能力，图6则展示出LTC3310系列稳压器在CISPR25 Class 5 峰值限制测试的结果。

图5：LTC3310稳压器负载阶跃响应（图源：ADI）


图6：CISPR25 Class 5 峰值限制测试（图源：ADI）

此外，DC3042A演示板设有EMI滤波器，可降低传导EMI，辅以LTC3310系列稳压器超低辐射特性，将EMI/EMC辐射降至低点，这在方案电路设计时有很好的参考价值。

电压比较器和它多面的应用

接下来，我们再以电压比较器为例来说明开发工具对于了解器件的重要性。电压比较器的引脚结构、电路符号与运算放大器类似，将输入端的电压作为一个基准值，另一个作为比较值，输出高电平或者低电平。原理非常容易理解，但只要简单变换电路就会扮演不同的角色，比如过压比较器、过零电压比较器、窗口比较器和滞回比较器。

比如贸泽电子在售的来自制造商ROHM Semiconductor的BM1Z101FJ电压比较器，便是一款过零电压比较器，可输出交流电压过零定时检测和二极管整流后直流电压。BM1Z101FJ是一款600V高压监控器，与传统过零检测电路相比，BM1Z101FJ并不需要光耦合器和外部元件，可以大幅减少元件数量，还可实现接近零 (0.01W) 的待机功耗。

图7：BM1Z101FJ电压比较器（图源：罗姆半导体）

面向电饭锅、烘干机等家电应用和空调、洗衣机、真空吸尘器等配备电机的家用电器应用，BM1Z101FJ中集成的电压钳位功能可保护下游MCU，确保MCU输入不超过4.8V。即使在不同国家使用的不同电源电压（100V至230V）以及不同的MCU情况下，依然能够高效驱动电机。

如果工程师朋友需要采购这颗器件，又想更深入地了解该器件在交流电压过零检测方面的优秀性能，可以通过罗姆半导体BM1ZxxxFJ评估板进行体验，贸泽电子网站上的制造商编号为BM1Z002FJ-EVK-002。

如图8所示，针对BM1ZxxxFJ系列电压比较器，罗姆半导体共打造了三款评估板，我们这一次选定的BM1Z002FJ-EVK-002是其中唯一的隔离型AC（交流）过零检测电路。

图8：BM1ZxxxFJ评估板类型（图源：罗姆半导体）

通过BM1ZxxxFJ评估板，大家可以直观地感受到包括BM1Z101FJ在内的一系列BM1ZxxxFJ电压比较器相较于传统过零检测电路的优势。如图9所示，BM1ZxxxFJ电压比较器能够准确地看到从90 VAC到264 VAC的输入交流电压在何时出现零电压交叉。

图9：零电压交叉（图源：罗姆半导体）

在实际的测试过程中，当负载停止时，BM1ZxxxFJ评估板能够将电压正好停止在0V状态，如图10所示，这样精准的脉冲控制提升了电路的安全性。显然，这些是无法通过参数读取解读出来的。

图10：零点状态捕捉（图源：罗姆半导体）

此外，通过BM1ZxxxFJ评估板我们还可以明显看到BM1ZxxxFJ系列电压比较器在小型化方面的优势，不再需要传统ZCD电路中所需的光耦合器和外部元件。

开发工具让你更好地理解电源管理器件

ADI DC3042A演示板和罗姆半导体BM1ZxxxFJ评估板的例子很好地诠释了开发工具在评估电源管理器件性能方面的重要性。通过开发工具，工程师朋友们可以直观地感受到很多元器件参数无法体现的性能优势，这对选购电源管理器件来说极为重要，有助于快速打造高效、节能的系统方案。

当然，电源管理器件种类丰富，贸泽电子网站上也有大量来自TI、ADI、Maxim、ROHM Semiconductor、英飞凌等制造商的开发工具，帮助工程师朋友们快速、高效地了解预采购的电源管理器件。