隨著電子產(chǎn)品功能日趨豐富、架構(gòu)越發(fā)復(fù)雜，其電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)也越來(lái)越大。為了給系統(tǒng)中各個(gè)組件提供精準(zhǔn)、穩(wěn)定的供電，確保其可靠地工作，開(kāi)發(fā)者需要將來(lái)自總電源的電能轉(zhuǎn)換為不同的電壓軌，同時(shí)還要滿(mǎn)足效率、體積和EMI等方面嚴(yán)苛的要求。所有這些努力，都需要不斷發(fā)展的電源管理器件提供助力。

聚焦到應(yīng)用極為廣泛的DC-DC電壓轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，常見(jiàn)的三種架構(gòu)包括降壓型、升壓型和升壓降壓型轉(zhuǎn)換，其中又以降壓型轉(zhuǎn)換的應(yīng)用場(chǎng)景更為普遍，因此開(kāi)發(fā)者在這方面日常面對(duì)的開(kāi)發(fā)和選型課題也更多。

降壓型轉(zhuǎn)換的技術(shù)考量

眾所周知，在降壓型轉(zhuǎn)換方面LDO和降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器是兩種主流的電源管理器件。

其中，LDO采用的是線(xiàn)性調(diào)節(jié)電壓方式，即通過(guò)對(duì)輸入電壓進(jìn)行降壓處理，將電壓降至所需的輸出電壓水平，其特點(diǎn)是架構(gòu)簡(jiǎn)單（通常只包括基準(zhǔn)參考電壓源、誤差放大器、分壓取樣電阻以及調(diào)整元件）、PCB占板面積小、紋波小、噪聲低；不過(guò)，由于其采用的是功率耗散方式，即直接降低電壓以形成所需的電壓差，因此功耗較大、效率相對(duì)較低，主要適用于一些低壓差、小電流（功率）、噪聲敏感型的場(chǎng)景。

降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器采用的是開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的架構(gòu)，其原理是將輸入電源的直流電壓轉(zhuǎn)換為一定頻率的交流電壓，然后經(jīng)過(guò)變壓器、電感器、濾波電容等組件的處理，轉(zhuǎn)換為所需的直流輸出電壓水平。相較于LDO，這種通過(guò)高頻開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)電力轉(zhuǎn)換的方式，突出的優(yōu)勢(shì)是功耗較小，效率更高；同時(shí)，其還可以針對(duì)更多樣的輸入電壓和負(fù)荷條件進(jìn)行調(diào)節(jié)，支持更大的功率輸出，滿(mǎn)足更復(fù)雜的電路系統(tǒng)要求。

由此可見(jiàn)，面對(duì)當(dāng)今日趨復(fù)雜的電子產(chǎn)品，特別是高輸入電壓、大電流和高性能的設(shè)計(jì)需求，降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器肯定是不可或缺的存在。在復(fù)雜系統(tǒng)中，通常是將降壓DC-DC作為主降壓器件，后接LDO進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)。

不過(guò)所謂“尺有所短、寸有所長(zhǎng)”，降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器也有一些“先天的短板”，比如：器件架構(gòu)較復(fù)雜，需要外圍元件，因此PCB面積較大，成本也較高；紋波較大，開(kāi)關(guān)噪聲大，電路設(shè)計(jì)較復(fù)雜。

這也就意味著，在做降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器的選型和開(kāi)發(fā)時(shí)，電源工程師需要全面地評(píng)估相關(guān)電源管理器件的性能，以便在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)揚(yáng)長(zhǎng)避短，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的解決方案。

表1：LDO和降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器比較

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具體來(lái)講，在進(jìn)行降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器選型時(shí)，除了要了解輸入電壓范圍、輸出電壓/電流、效率、開(kāi)關(guān)頻率等核心參數(shù)外，針對(duì)一些特定的應(yīng)用，還需要考量靜態(tài)電流（Iq）、關(guān)斷電流、散熱、噪聲等特性，以更好地滿(mǎn)足設(shè)計(jì)所需。

輸入電壓范圍

此參數(shù)明確了降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器實(shí)際使用時(shí)輸入電壓的波動(dòng)范圍，較寬的輸入電壓意味著器件具有更廣的應(yīng)用場(chǎng)景、更強(qiáng)的適應(yīng)性和更大的設(shè)計(jì)靈活性。

輸出電壓

通常包括固定輸出電壓和可調(diào)輸出電壓兩種類(lèi)型的器件，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行選擇。同時(shí)，也需要關(guān)注輸出電壓精度，及其在不同工作溫度、輸入電壓和負(fù)載電流條件下的變化。

輸出電流

持續(xù)的輸出電流能力是降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器的一個(gè)重要參數(shù)，也決定了其支持的功率水平，設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)此參數(shù)保留一定的余量，以避免器件超負(fù)荷工作。

效率

這無(wú)疑是電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)極關(guān)鍵的指標(biāo)之一。值得一提的是，效率的提升要同時(shí)關(guān)注輕載和重載兩種情況——輕載效率會(huì)影響待機(jī)功率，重載效率會(huì)影響溫升。降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器通常會(huì)通過(guò)在輕載和重載時(shí)采用不同的電源轉(zhuǎn)換工作模式，來(lái)實(shí)現(xiàn)全負(fù)載范圍的高效率。

紋波噪聲

DC-DC轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)動(dòng)作以及對(duì)電感電容充放電，會(huì)造成較大的EMI噪聲和電源紋波。較大的紋波，會(huì)影響器件的轉(zhuǎn)換效率和功耗，造成系統(tǒng)工作不穩(wěn)定、發(fā)熱量偏高，并會(huì)干擾高速、高精度數(shù)據(jù)采集等噪聲敏感型應(yīng)用。

開(kāi)關(guān)頻率

較高的開(kāi)關(guān)頻率有利于在外部電感、電容等元件選型時(shí)，使用體積更小的元件，以節(jié)省PCB面積。但開(kāi)關(guān)頻率的提高也可能會(huì)在功耗和噪聲方面帶來(lái)負(fù)面影響，需要仔細(xì)權(quán)衡。

負(fù)載調(diào)整率

該特性反映了電源負(fù)載的變化對(duì)電源輸出電壓的影響，好的電源管理解決方案負(fù)載變化引起的輸出變化顯然更小，輸出也更穩(wěn)定。

保護(hù)功能

降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器內(nèi)部集成過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)和熱關(guān)斷等保護(hù)功能，使其無(wú)需額外的外部保護(hù)電路，也可以保障器件的安全可靠工作。

封裝和散熱

既要封裝尺寸小，又要散熱性能好——能夠兼顧這兩項(xiàng)看似相互矛盾的設(shè)計(jì)需求的降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，自然具有更顯著的優(yōu)勢(shì)。

顯而易見(jiàn)，想要在降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器選型時(shí)充分考量上述這些技術(shù)要素，并在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)合理地決策、巧妙地權(quán)衡，十分考驗(yàn)硬件工程師的功力，也會(huì)耗費(fèi)其不少的時(shí)間和精力。

NEX40400同步降壓轉(zhuǎn)換器

幸運(yùn)的是，Nexperia通過(guò)不斷的技術(shù)迭代和優(yōu)化，將以往需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面面對(duì)的設(shè)計(jì)難題，在器件設(shè)計(jì)層面就解決了，從而開(kāi)發(fā)出了綜合性能表現(xiàn)十分出色的降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品。

NEX40400同步降壓轉(zhuǎn)換器就是Nexperia新近推出的一款具有出眾的高效率、超低Iq、寬輸入等優(yōu)異特性的產(chǎn)品。

圖1：NEX40400同步降壓轉(zhuǎn)換器（圖源：Nexperia）

NEX40400具有4.5V至40V的寬輸入電壓范圍，適用于工業(yè)和汽車(chē)行業(yè)中各種電源降壓應(yīng)用，如12V和24V軌的輸入應(yīng)用，其輸出電壓精度為1%，連續(xù)輸出電流高達(dá)600mA。

通過(guò)采用PFM（脈沖頻率調(diào)制）方式，NEX40400通過(guò)在輕載條件下降低開(kāi)關(guān)頻率，減少開(kāi)關(guān)損耗，實(shí)現(xiàn)更高的效率——其在中低負(fù)載條件下的效率比同類(lèi)產(chǎn)品高約8%。頻率折返技術(shù)有助于防止啟動(dòng)時(shí)電感電流失控，并使轉(zhuǎn)換器不論是在高轉(zhuǎn)換比還是低壓差情況下，都能夠可靠運(yùn)行。

超低的工作靜態(tài)電流Iq是NEX40400另一大特色，其待機(jī)電流僅為60μA，關(guān)機(jī)電流更是低至0.3μA，這使其非常適合電池供電類(lèi)應(yīng)用。

NEX40400的固定開(kāi)關(guān)頻率為1.05MHz和2.1MHz，通過(guò)采用擴(kuò)頻技術(shù)有效降低了EMI，提升了其噪聲特性。強(qiáng)制PWM（FPWM）選項(xiàng)還有助于降低器件的輸出紋波。

NEX40400還提供一系列IC保護(hù)功能，如過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)和熱關(guān)斷，確保在嚴(yán)苛環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高可靠性。

此外，在封裝方面，NEX40400采用經(jīng)濟(jì)高效的6引腳SOT8061-1（TSOT23-6）表面貼裝塑料封裝，尺寸僅為2.9mm x 1.6mm，且具有良好的散熱性能。

圖2：NEX40400同步降壓轉(zhuǎn)換器功能框圖（圖源：Nexperia）

綜合上述這些特點(diǎn)，NEX40400非常適合工業(yè)配電系統(tǒng)、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施（如智能電子式電表），以及白色家電和電池供電消費(fèi)電子產(chǎn)品。據(jù)悉，Nexperia還計(jì)劃在2025年下半年發(fā)布符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)的NEX40400版本，將其應(yīng)用版圖擴(kuò)展至車(chē)身電子和照明、車(chē)載信息娛樂(lè)系統(tǒng)、ADAS以及儀表盤(pán)、攝像頭和顯示器等汽車(chē)應(yīng)用。

圖3：NEX40400典型應(yīng)用電路（圖源：Nexperia）

本文小結(jié)

作為應(yīng)用極為廣泛的電源管理器件，降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器一直在通過(guò)技術(shù)進(jìn)步，強(qiáng)化自身的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)性能短板，以滿(mǎn)足日益多樣化的應(yīng)用所需。

Nexperia的NEX40400同步降壓轉(zhuǎn)換器，無(wú)疑就是其中一款綜合了諸多先進(jìn)技術(shù)的優(yōu)秀解決方案，各個(gè)方面的性能表現(xiàn)都可圈可點(diǎn)，可謂是降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器中的“六邊形戰(zhàn)士”，能夠?yàn)殡娫聪到y(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)更大的靈活性！