高效DC-DC轉(zhuǎn)換器，占用面積等同于LDO

效率的重要性日益提高，面對(duì)能源價(jià)格不斷上漲以及對(duì)全球變暖的日益關(guān)注，設(shè)計(jì)高效率“綠色”電路將有效降低運(yùn)行成本以及對(duì)環(huán)境的影響。

在注重成本的應(yīng)用中，普遍選用LDO穩(wěn)壓器從3.3V輸入產(chǎn)生1.5V/3A輸出。由于LDO需要耗散很大功率(5.4W)，必須選擇TO220或D2PAC封裝。為降低功耗，在低端服務(wù)器設(shè)計(jì)中開始用開關(guān)調(diào)節(jié)器取代LDO穩(wěn)壓器。然而，現(xiàn)有的LDO設(shè)計(jì)電路板空間非常有限，多數(shù)情況下，這個(gè)空間對(duì)于一個(gè)完整的開關(guān)調(diào)節(jié)來說過于擁擠。例如，兩個(gè)1206 陶瓷電容和D2PAC封裝的LDO穩(wěn)壓器占用面積約為18mm x 14mm。要將一個(gè)開關(guān)調(diào)節(jié)器裝配到這么小的面積內(nèi)非常困難，特別是在需要外部MOSFET的情況下。

MAX8505是一款高效率、PWM降壓型開關(guān)調(diào)節(jié)器，內(nèi)置高邊MOSFET和低邊MOSFET，采用16引腳、QSOP封裝(5mm x 6.5mm)。1MHz的開關(guān)頻率允許輸入濾波器和輸出濾波器使用小尺寸電感和陶瓷電容，占位面積極小。圖1所示是完整的MAX8505應(yīng)用電路。MAX8505可接受5V或3.3V輸入，并提供1.5V/3A輸出。典型瞬態(tài)電流峰值為5.6A。主要的電路元件能夠安裝在16mm x 14mm面積內(nèi)，甚至可以獲得比LDO穩(wěn)壓器占位面積更小的方案。器件的總功耗僅為0.67W，與LDO相比可保留幾乎的5W功率。表1提供了0.9V、1.5V、2.0V及2.5V輸出時(shí)對(duì)應(yīng)的反饋電阻值。


圖1. MAX8505內(nèi)置開關(guān)的降壓調(diào)節(jié)器

表1. 特殊電壓下的反饋電阻

VOUT	R3	R2
0.9V	10kΩ	1.24kΩ
1.5V	10kΩ	8.66kΩ
2.0V	10kΩ	15kΩ
2.5V	10.5kΩ	22.1kΩ

圖2所示為MAX8505 PCB布局圖的頂層，右側(cè)是D2PAC封裝器件，以供參考。PCB頂層包含大量元件：MAX8505、L1、C1、C2和C4。7個(gè)額外的小型(0603封裝)元件放置在板子的底層，這些元件放置不是很重要。


圖2. MAX8505開關(guān)調(diào)節(jié)器的圖片，右側(cè)為D2PAC封裝器件，用于比較。

表2列出了LM317、MAX8505和外置MOSFET的典型控制器在功耗、占位面積和外部元件數(shù)量方面的比較。MAX8505需要最小的電路板面積，并提供最高的效率。階躍負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)如圖3所示。輸出紋波電壓小于10mV，請參見圖4。表3給出了MAX8505的材料清單。

表2. LM317 LDO、MAX8505和外置MOSFET典型控制器IC的比較情況

Parameters	LDO (LM317)	MAX8505	Typical Controller IC
Efficiency (%)	45.5	87	76
Power Dissipation (W)	5.4	0.67	1.42W
Total Components	5	12	11*
Area (mm x mm)	18 x 14, Single Side	16 x 14, Double Side	–
Conditions: 3.3V to 1.5V at 3A, design for adjustable output
* 11 components are needed to achieve less than 10mV output ripple voltage.

圖3. 階躍負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)：由0.5A躍變至2A, 然后返回到0.5A


圖4. Lx開關(guān)波形和輸出紋波電壓

表3. MAX8505材料清單

Designation	QTY	Description	Part Number
C1	1	Input capacitor, 1206	10μF/6.3V
C2	1	Output capacitor, 1210	47μF/6.3V
C3	1	Decoupling capacitor, 0603	0.1μF/6.3V
C4	1	Snubber capacitor, 0603	3300pF/50V
C5	1	Compensation capacitor, 0603	220pF/50V
C6	1	Decoupling capacitor, 0603	0.22μF/6.3V
R1	1	Compensation resistor, 0603	51.1kΩ, 1%
R2	1	Voltage set resistor, 0603	See Table 1
R3	1	Voltage set resistor, 0603	See Table 1
L1	1	2.2μF/7A SMD inductor, 6.3mm x 6.2mm x 2.5mm	Toko
D1	1	Small signal diode	1N4148 or CMDSH-3
IC1	1	3A internal switch regulator	MAX8505