成功實(shí)現(xiàn)質(zhì)量?jī)?yōu)于低成本電源轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用示例

選擇合適的電源轉(zhuǎn)換器僅僅是找到最便宜的部件嗎？事實(shí)證明，電源電壓轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的創(chuàng)新是值得的，并且在市場(chǎng)上得到了回報(bào)——因?yàn)檫@些解決方案帶來(lái)了更高質(zhì)量的產(chǎn)品。本文概述了一些成功實(shí)現(xiàn)質(zhì)量?jī)?yōu)于低成本電源轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用示例。

電源轉(zhuǎn)換器幾乎用于所有電氣設(shè)備。多年來(lái)，它們已經(jīng)針對(duì)各自的應(yīng)用條件進(jìn)行了設(shè)計(jì)和調(diào)整。今天的制造商之間有區(qū)別嗎？

“商品”一詞是指市場(chǎng)上不同制造商之間差別不大，其價(jià)格與原材料價(jià)格一樣主要由制造成本決定的貿(mào)易或商業(yè)物品。產(chǎn)品創(chuàng)新的空間很小。

大約 20 年前，當(dāng)我開(kāi)始在電源半導(dǎo)體領(lǐng)域工作時(shí)，很大一部分電源行業(yè)正在經(jīng)歷一場(chǎng)巨變。大多數(shù)應(yīng)用正在從線性穩(wěn)壓器過(guò)渡到效率更高的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。這主要是通過(guò)開(kāi)發(fā)具有內(nèi)部電源開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器 IC 和簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這極大地促進(jìn)了此類(lèi)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器解決方案的應(yīng)用。凌力爾特公司現(xiàn)已成為 ADI 公司的一部分，在實(shí)現(xiàn)這一根本性變革方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

在那段重要的時(shí)間之后，人們經(jīng)常聽(tīng)到電源業(yè)務(wù)無(wú)法再產(chǎn)生任何重大創(chuàng)新，而進(jìn)一步的發(fā)展將朝著一個(gè)方向發(fā)展：降低成本。

簡(jiǎn)單的電壓轉(zhuǎn)換就足夠的應(yīng)用

當(dāng)今存在簡(jiǎn)單的電壓轉(zhuǎn)換就足夠的應(yīng)用。這些應(yīng)用是用于消費(fèi)產(chǎn)品的非常便宜的開(kāi)關(guān)模式電源。具有幾乎相同的技術(shù)特性的電源轉(zhuǎn)換器被廣泛提供。線性穩(wěn)壓器的價(jià)格在幾歐分左右。簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器也只需幾美分，但它們具有顯著優(yōu)勢(shì)，例如更高的效率和更高的輸出電流。

電壓轉(zhuǎn)換器市場(chǎng)的差異化

然而，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，電源領(lǐng)域?qū)⒉辉儆袆?chuàng)新的預(yù)測(cè)被證明是假的。即使在贈(zèng)品等廉價(jià)促銷(xiāo)品中，電源轉(zhuǎn)換質(zhì)量也起著決定性作用。這可以從我使用多年的促銷(xiāo)禮物來(lái)說(shuō)明：我車(chē)上點(diǎn)煙器的 USB 充電適配器。它承諾高達(dá) 2 A 的充電電流。將 12 V 轉(zhuǎn)換為 5 V 的集成開(kāi)關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器可以產(chǎn)生這些 2 A 電流。使用標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器來(lái)減少這種高功率下的熱損失。不幸的是，當(dāng)使用此 USB 適配器時(shí)，車(chē)載收音機(jī)停止工作。轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率和開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換的頻率導(dǎo)致了強(qiáng)輻射，使無(wú)線電接收變得不可能。在選擇開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器時(shí)，注意的是價(jià)格，而不是確保低電磁輻射。

另一個(gè)例子是帶有紐扣電池的廉價(jià)設(shè)備，在短暫運(yùn)行后必須更換。在這里，最終產(chǎn)品的質(zhì)量也直接取決于電源的質(zhì)量。

大多數(shù)應(yīng)用的質(zhì)量創(chuàng)新

還考慮到持續(xù)良率和防止過(guò)多的電子浪費(fèi)，需要開(kāi)發(fā)更高質(zhì)量的電源產(chǎn)品。因此，在大多數(shù)應(yīng)用中，穩(wěn)壓器并未成為商品。以下是一些非常成功的創(chuàng)新目標(biāo)。

提高轉(zhuǎn)換效率

能源要花錢(qián)。這筆錢(qián)是否支付給公用事業(yè)公司并不重要。必須購(gòu)買(mǎi)電池或產(chǎn)生費(fèi)用，例如為光伏系統(tǒng)制造太陽(yáng)能電池。由于這個(gè)事實(shí)，對(duì)于所有電源，轉(zhuǎn)換效率都很重要。在某些情況下，它甚至是決定性的。

電壓轉(zhuǎn)換過(guò)程中發(fā)生的能量損失會(huì)導(dǎo)致另一個(gè)問(wèn)題：加熱系統(tǒng)。如果必須安裝額外的散熱器和風(fēng)扇，它可能會(huì)變得昂貴。電子電路的可靠性和耐用性通常也很大程度上取決于工作溫度。

提高效率基本上是所有功率轉(zhuǎn)換的創(chuàng)新目標(biāo)：對(duì)于極低功率（如在能量收集或電池供電的應(yīng)用中）和高功率（如在千瓦范圍內(nèi)的電源單元）。85% 的轉(zhuǎn)換效率對(duì)于 20 年前的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器來(lái)說(shuō)可能是不錯(cuò)的，但在當(dāng)今的許多應(yīng)用中，即使是 93% 也不夠?？雌饋?lái)這種趨勢(shì)不會(huì)很快消失。100% 的轉(zhuǎn)換效率似乎并不容易達(dá)到，但仍將是目標(biāo)。100% 效率的電壓轉(zhuǎn)換沒(méi)有任何損失。

可以進(jìn)行許多創(chuàng)新以提高效率。一方面，可以降低通態(tài)電阻（R DS(on) ）和開(kāi)關(guān)的柵極電容。也可以增加開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換的速度。這降低了開(kāi)關(guān)損耗。許多此類(lèi)改進(jìn)是由 GaN 和 SiC 等新開(kāi)關(guān)技術(shù)提供的。

另一種選擇是減少無(wú)源元件（例如電感器和電容器）的損耗。

除了這些明顯的調(diào)整之外，還存在涉及開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)涞奶娲椒āTC7821混合轉(zhuǎn)換器就是一個(gè)例子。它將電荷泵與降壓轉(zhuǎn)換器相結(jié)合，以在電源電壓轉(zhuǎn)換為較低電壓時(shí)實(shí)現(xiàn)非常高的效率。對(duì)于在 20 A 的輸出電流下將 48 V 轉(zhuǎn)換為 12 V，在 500 kHz 的開(kāi)關(guān)頻率下可以實(shí)現(xiàn) 97.3% 的轉(zhuǎn)換效率。使用標(biāo)準(zhǔn)商用硅 MOSFET 可產(chǎn)生 240 W 的輸出功率。圖 1 說(shuō)明了混合降壓轉(zhuǎn)換概念。損耗之所以如此之低，是因?yàn)殡姾杀玫墓ぷ餍蕵O高，并且由于電源電壓已經(jīng)減半，下游降壓轉(zhuǎn)換器可以在最佳電壓范圍內(nèi)工作。

圖 1：用于在某些應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)特別高轉(zhuǎn)換效率的混合開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)?/p>

EMC的改善

正在進(jìn)行重要?jiǎng)?chuàng)新的第二個(gè)領(lǐng)域是電磁兼容性 (EMC)。這是獲得電路批準(zhǔn)的重要先決條件。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器總是會(huì)產(chǎn)生電磁輻射。發(fā)射是通過(guò)每個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中的脈沖電流產(chǎn)生的。它們?nèi)Q于開(kāi)關(guān)頻率和開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換的速度。所用電源中的輻射和傳導(dǎo)發(fā)射也可能引發(fā)電子設(shè)備中其他電路部分的功能問(wèn)題。因此，減少產(chǎn)生的干擾非常重要。

推動(dòng)創(chuàng)新以減少對(duì)額外過(guò)濾器的需求。具有較少干擾的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器意味著附加濾波器和屏蔽組件的成本較低。改進(jìn)的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器IC因此受到用戶的歡迎。

過(guò)去幾年最大的創(chuàng)新之一是 ADI 的 Silent Switcher 概念。通過(guò)各種技巧，例如平衡對(duì)稱脈沖電流和去除鍵合線，它顯著降低了開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器電路的輻射發(fā)射。這一概念如圖 2 所示。該創(chuàng)新可與各種開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)湟黄鹗褂?。圖 2 顯示了降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞拿}沖電流和產(chǎn)生的磁場(chǎng)。這些場(chǎng)分為兩部分，并且由于對(duì)稱排列，它們處于相反的方向并在很大程度上相互抵消。

圖 2：降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中的脈沖電流和通過(guò) Silent Switcher 技術(shù)消除產(chǎn)生的脈沖磁場(chǎng)

快速控制回路意味著輸出電壓僅顯示很小的電壓偏差，即使在動(dòng)態(tài)負(fù)載變化的情況下也是如此。FPGA 尤其要求電源電壓不超出窄調(diào)節(jié)范圍，即使在高負(fù)載瞬態(tài)情況下也是如此。確保這一點(diǎn)的一種方法是添加大量高質(zhì)量的輸出電容器，或者以更優(yōu)雅、更便宜的方式使用具有高開(kāi)關(guān)頻率的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器 IC，從而獲得高控制環(huán)路帶寬。

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器 IC 創(chuàng)新的資金來(lái)自于電容器成本的節(jié)省。

圖 3：用于簡(jiǎn)單計(jì)算開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器電路中傳導(dǎo)發(fā)射的 LTpowerCAD 工具

更高的集成度和易用性

出現(xiàn)大量創(chuàng)新的第四個(gè)領(lǐng)域是完整電源電路的高度集成。第一步是將多個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器集成到一個(gè) IC 外殼中。這些產(chǎn)品通常被稱為電源管理集成電路 (PMIC)。它們節(jié)省了電路板上的空間，可作為大批量的電源管理 ASIC 或作為目錄產(chǎn)品用于常見(jiàn)應(yīng)用的通用 PMIC 解決方案。ADP5014是一種流行的電源構(gòu)建模塊，例如用于 FPGA 。圖 4 顯示了一個(gè)帶有這種 PMIC 模塊為 FPGA 供電的電路。

圖 4：ADP5014 作為具有四種不同輸出電壓的高度集成開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器示例

除了高度集成之外，模塊還非常易于使用。一個(gè)模塊幾乎將整個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器電路集成在一個(gè)外殼中。通常只有輸入輸出電容是外接的；電路的其余部分，包括電感器，都是集成的。因此，用戶不再需要選擇外部無(wú)源元件。該模塊可以簡(jiǎn)單地焊接到主板上，以可靠地產(chǎn)生所需的電壓。由于選擇了 μModule，幾乎所有應(yīng)用都可以使用正確的模塊。目前，大約有 200 個(gè)電源模塊可用。

已經(jīng)優(yōu)化的 μModules 特別適合滿足復(fù)雜的電源要求。例如，LTM4700降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器可提供高達(dá) 100A 的輸出電流。特殊外殼可確保最佳散熱，因此即使在這些高電流下也能保證可靠運(yùn)行。許多 μModule 的設(shè)計(jì)使得作為外殼的一部分的內(nèi)置電感器像散熱器一樣將熱量釋放到環(huán)境空氣中，因此，電路板只需吸收來(lái)自電源的少量額外熱量. 這大大簡(jiǎn)化了大功率電源的設(shè)計(jì)。

μModule 創(chuàng)新使構(gòu)建不會(huì)過(guò)熱、針對(duì)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化且易于使用的小型電路成為可能。所有這些都節(jié)省了資金，并使該產(chǎn)品組在眾多應(yīng)用領(lǐng)域中非常受歡迎。進(jìn)一步創(chuàng)新的潛力仍然很大。

可以期待電源領(lǐng)域的更多創(chuàng)新

對(duì)電源的要求不斷變化并適應(yīng)電氣負(fù)載的發(fā)展，例如模數(shù)轉(zhuǎn)換器、模擬前端、微控制器和 FPGA。所需電壓正在降低，而所需電流正在增加。因此，標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器將不再能夠滿足未來(lái)的要求。這一發(fā)現(xiàn)可以解釋為什么電源仍然具有很大的創(chuàng)新潛力，而商品化——即向普通商品的轉(zhuǎn)變——是不可預(yù)見(jiàn)的。

　　審核編輯：湯梓紅