Chris Glaser, Texas Instruments
Electronic Design
Для систем с повышенными требованиями к занимаемому объему, таких как оптические модули и твердотельные накопители (SSD), крайне важны малые размеры решений и высокие уровни интеграции. В то время как интегрированные модули питания все более востребованы в этих и других малогабаритных приложениях, до последнего времени их использование было ограничено устройствами с относительно небольшими токами потребления. Однако новейшие модули источников питания, способные теперь отдавать токи до 3 А, позволяют при сохранении хороших характеристик обеспечить намного меньшие размеры устройств. В этой статье я сравниваю эффективность, размеры решений и стоимость модульных источников питания с их дискретными эквивалентами.
|
||||||
| Рисунок 1. | Типичные схемы дискретного (а) и модульного источника питания (б) для выходного напряжения 1.2 В очень просты. |
|||||
Для примера на Рисунке 1 показана схема типичного понижающего преобразователя, доступного как в виде дискретной интегральной схемы (ИС), так и в виде силового модуля MicroSiP [1]. В этом примере оба решения рассчитаны на выходной ток 3 А при напряжении 1.2 В. Пассивные компоненты в обеих схемах идентичны, за исключением катушки индуктивности, которая встроена в модуль. Оба устройства используют топологию DCS (Direct Control with Seamless transition into power-save mode – прямое управление с плавным переходом в режим энергосбережения) [2], обеспечивающую отличную переходную характеристику и хорошую стабилизацию выходного напряжения, что требуется в коммуникационных приложениях и устройствах хранения информации.
КПД
Для корректного сравнения КПД двух понижающих преобразователей с интегрированными MOSFET вы должны использовать одинаковые катушки индуктивности. Подавляющее большинство потерь происходят либо в микросхеме, либо в катушке индуктивности, и поскольку характеристики потерь микросхемы неизменны, единственной ручкой настройки КПД остается индуктивность. Для минимизации общих размеров модулей питания в них встраиваются катушки меньшего размера, имеющие более высокое сопротивление постоянному току (DCR). Для получения максимального КПД в дискретном источнике питания обычно используется катушка индуктивности большего размера, имеющая более низкое DCR. Здесь виден ясный компромисс между размером и эффективностью.
На Рисунке 2 показаны зависимости КПД дискретного и модульного источников питания с катушками индуктивности, характеристики которых указаны в соответствующих спецификациях. В дискретном источнике на основе ИС используется катушка большего размера, а в модульном – меньшего. Третья кривая отображает зависимость КПД дискретного источника, в котором использована катушка меньшего размера.
 |
||
| Рисунок 2. | Графики зависимости КПД от тока нагрузки для дискретного (TPS62085) и модульного источника питания (TPS82085) при выходном напряжении 1.2 В до области высоких токов нагрузки практически совпадают. |
|
Как и ожидалось, дискретный источник питания с меньшей катушкой индуктивности показал такой же КПД, как и модульный источник. При умеренных выходных токах КПД во всех трех случаях практически одинаков. При больших токах основное влияние на изменение КПД оказывают различия в DCR катушек.
Размеры решения
Основное преимущество, которое дает выбор модуля питания, заключается в меньших размерах решения. В модулях MicroSiP компоненты размещены вертикально, что дает выигрыш в размерах по осям Х и Y. Однако вертикальное расположение компонентов увеличивает высоту конечного изделия. Чтобы получить минимальную высоту, следует использовать дискретные источники питания.
| Таблица 1. | Дискретный источник питания (TPS62085) может иметь меньшую высоту, чем модуль (TPS82085), хотя модуль питания всегда занимает на печатной плате наименьшую площадь. |
||||||||||||
|
|||||||||||||
В Таблице 1 показаны размеры и высота решений, основанных на оценочных модулях для каждого устройства. По сравнению с эквивалентными дискретными источниками питания модульные экономят 22% площади платы, но при этом на 33% увеличивают ее высоту. Использовав силовой модуль вместо дискретного модуля с бóльшей катушкой индуктивности, вы можете сэкономить 43% площади платы.
Стоимость
Несмотря на то, что все устройства эквивалентны, модульный источник стоит больше, чем дискретная микросхема питания, поскольку дополнительный вклад в цену вносят встроенная катушка и затраты на сборку. Однако стоимость собранного источника питания выходит далеко за пределы стоимости одной микросхемы питания. Прочие расходы включают в себя затраты на отбор каждого компонента и его установку на печатную плату; стоимость подбора, приобретения и хранения каждого элемента из перечня материалов; стоимость и риски разводки платы (поскольку трассировка соединений катушки индуктивности и коммутационного узла [вывод SW] требует большого внимания и аккуратности) и стоимость самой печатной платы – чем больше плата, тем она дороже. Модульные источники питания стоят больше, однако экономят место на плате и упрощают процесс разработки.
| Таблица 2. | Сводная таблица основных характеристик модульных (TPS82085) и дискретных источников питания (TPS62085). |
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
В Таблице 2 собраны данные, позволяющие принять оптимальное решение по выбору типа источника питания. Стоимость конечного решения складывается из ориентировочной стоимости катушки индуктивности, которая составляет $0.30, конденсаторов, ценой $0.05 за штуку, и резисторов, каждый из которых стоит $0.005.
Заключение
Новые 3-амперные модули питания, имея такой же КПД, занимают на плате на 22% меньше места, чем дискретные эквиваленты на ИС. Однако их высота больше, как больше и стоимость конечного решения. Эта дополнительная стоимость отчасти компенсируется меньшим количеством компонентов на печатной плате и более быстрой и простой процедурой ее разводки.
В то время как модульные источники питания предлагают проверенное и подтвержденное спецификациями решение, дискретные источники можно лучше адаптировать к конкретному приложению. Для устройств с ограниченным объемом, в зависимости от приоритетных критериев, обоснованным будет выбор как модульного, так и дискретного источника питания.
Ссылки
- Информация о MicroSiP
- Glaser, Chris. "High-efficiency, low-ripple DCS-Control offers seamless PWM/power-save transitions", TI Analog Applications Journal, 3Q 2013.
Материалы по теме
Перевод: Алексей Ревенко по заказу РадиоЛоцман
