在低成本功率轉(zhuǎn)換器上成功實(shí)現(xiàn)質(zhì)量的應(yīng)用示例

選擇合適的電源轉(zhuǎn)換器僅僅是找到最便宜的器件嗎？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。本文概述了一些在低成本功率轉(zhuǎn)換器上成功實(shí)現(xiàn)質(zhì)量的應(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)根據(jù)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什么區(qū)別嗎？

“商品”一詞是指一種貿(mào)易或商業(yè)物品，其特點(diǎn)是市場(chǎng)上不同制造商之間幾乎沒(méi)有區(qū)別，各自的價(jià)格（如原材料的價(jià)格）主要由制造成本決定，并且只有很小的產(chǎn)品創(chuàng)新空間。

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)，電源行業(yè)的很大一部分正在經(jīng)歷劇變。大多數(shù)應(yīng)用正在從線性穩(wěn)壓器（LDO）過(guò)渡到更高效的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。這主要是由于開(kāi)發(fā)了帶有內(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)，極大地促進(jìn)了此類開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器解決方案的應(yīng)用。凌力爾特公司（現(xiàn)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。

在那段重要時(shí)期之后，人們經(jīng)常聽(tīng)到電源業(yè)務(wù)不再產(chǎn)生任何重大創(chuàng)新，進(jìn)一步發(fā)展只會(huì)朝著一個(gè)方向發(fā)展：降低成本。

簡(jiǎn)單的電壓轉(zhuǎn)換就足夠了的應(yīng)用

如今，簡(jiǎn)單電壓轉(zhuǎn)換就足夠了的應(yīng)用肯定存在。這些應(yīng)用是用于消費(fèi)類產(chǎn)品的非常便宜的開(kāi)關(guān)模式電源。功率轉(zhuǎn)換器具有幾乎相同的技術(shù)特性，被廣泛提供。線性調(diào)節(jié)器的價(jià)格在幾歐分的范圍內(nèi)。每個(gè)也只需幾美分即可獲得簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，但它們具有顯著的優(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)用來(lái)說(shuō)，電源領(lǐng)域不會(huì)再有創(chuàng)新的預(yù)測(cè)被證明是錯(cuò)誤的。即使在廉價(jià)的促銷品中，例如贈(zèng)品，功率轉(zhuǎn)換質(zhì)量也起著決定性的作用。這可以通過(guò)我多年來(lái)使用的促銷禮物來(lái)說(shuō)明：用于我車(chē)內(nèi)點(diǎn)煙器的USB充電適配器。它承諾高達(dá) 2 A 的充電電流。集成開(kāi)關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器可將12 V轉(zhuǎn)換為5 V，可以很好地產(chǎn)生這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)，汽車(chē)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)換的頻率會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的輻射，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，必須在短暫運(yùn)行后更換。在這里，最終產(chǎn)品的質(zhì)量也直接取決于電源的質(zhì)量。

適用于大多數(shù)應(yīng)用的質(zhì)量創(chuàng)新

考慮到持續(xù)產(chǎn)量和防止過(guò)多的電子廢物，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)壓器尚未成為商品。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)是支付給公用事業(yè)公司，是否必須購(gòu)買(mǎi)電池，還是產(chǎn)生費(fèi)用，例如，為光伏系統(tǒng)制造太陽(yáng)能電池，都無(wú)關(guān)緊要。因此，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：系統(tǒng)升溫。如果必須安裝額外的散熱器和風(fēng)扇，可能會(huì)變得昂貴。電子電路的可靠性和耐用性通常也在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)：用于極低功率（如能量收集或電池供電應(yīng)用）和高功率（如千瓦范圍內(nèi)的電源單元）。20年前，85%的轉(zhuǎn)換效率對(duì)于開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器來(lái)說(shuō)可能很好，但在當(dāng)今的許多應(yīng)用中，即使達(dá)到93%也是不夠的?？雌饋?lái)這種趨勢(shì)不會(huì)很快消失。100%的轉(zhuǎn)換效率似乎不容易達(dá)到，這將繼續(xù)成為目標(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)新來(lái)提高效率。首先，可以降低RDS（ON）——即開(kāi)關(guān)處于“導(dǎo)通”狀態(tài)的電阻——和開(kāi)關(guān)的柵極電容。開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換的速度也可以提高。這降低了開(kāi)關(guān)損耗。許多此類改進(jìn)都是由新的開(kāi)關(guān)技術(shù)（如GaN和SiC）提供的。

另一種選擇是降低無(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。它結(jié)合了電荷泵和降壓轉(zhuǎn)換器，可在電源電壓轉(zhuǎn)換為較低電壓時(shí)實(shí)現(xiàn)非常高的效率。對(duì)于輸出電流為20 A的48 V至12 V轉(zhuǎn)換，開(kāi)關(guān)頻率為500 kHz時(shí)可實(shí)現(xiàn)97.3%的轉(zhuǎn)換效率。240 W 的輸出功率由標(biāo)準(zhǔn)商用硅 MOSFET 產(chǎn)生。圖1顯示了混合降壓轉(zhuǎn)換概念。損耗如此之低是因?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.混合開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在某些應(yīng)用中可實(shí)現(xiàn)特別高的轉(zhuǎn)換效率。

提高電磁兼容性

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。輻射通過(guò)每個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中的脈沖電流產(chǎn)生。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)射也會(huì)引發(fā)電子產(chǎn)品中其他電路段的功能問(wèn)題。因此，減少產(chǎn)生的干擾非常重要。

創(chuàng)新旨在減少對(duì)額外過(guò)濾器的需求。干擾較小的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器意味著附加濾波器和屏蔽元件的成本更低。因此，改進(jìn)型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器IC深受用戶歡迎。

過(guò)去幾年最大的創(chuàng)新之一是ADI公司的靜音切換器概念。通過(guò)平衡對(duì)稱脈沖電流和去除鍵合線等各種技巧，它顯著降低了開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器電路的輻射發(fā)射。此概念如圖 2 所示。該創(chuàng)新技術(shù)可用于各種開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)?。圖2顯示了降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞拿}沖電流和由此產(chǎn)生的磁場(chǎng)。這些場(chǎng)分為兩部分，由于對(duì)稱排列，它們的方向相反，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，并通過(guò)靜音切換器技術(shù)消除產(chǎn)生的脈沖磁場(chǎng)。

電磁兼容的模擬

在經(jīng)過(guò)認(rèn)證的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行EMI測(cè)量是昂貴的。修改已經(jīng)開(kāi)發(fā)的硬件成本也很高。因此，電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要支柱是使用ADI公司的LTpowerCAD等工具進(jìn)行EMC優(yōu)化。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中使用仿真工具進(jìn)行EMC優(yōu)化具有巨大的潛力。圖3顯示了作為L(zhǎng)TpowerCAD開(kāi)發(fā)環(huán)境一部分的EMI濾波器設(shè)計(jì)器。使用此工具，可以計(jì)算開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中的傳導(dǎo)輻射，如果干擾過(guò)高，可以設(shè)計(jì)濾波器以提供補(bǔ)救措施。?

圖3.LTpowerCAD工具，用于簡(jiǎn)單計(jì)算開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器電路中的傳導(dǎo)發(fā)射。

高開(kāi)關(guān)頻率和快速控制環(huán)路

電源的另一個(gè)趨勢(shì)是向非常高的開(kāi)關(guān)頻率發(fā)展。這使得低成本和節(jié)省空間的電路成為可能。較低的電感和電容值導(dǎo)致更便宜的電感器和電容器在電源輸出端具有相同的電壓紋波。LTC3311 就是這種現(xiàn)代開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器 IC 的一個(gè)例子。它是ADI靜音開(kāi)關(guān)平臺(tái)的降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。除了上述高開(kāi)關(guān)頻率（可在LTC33xx系列開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中擴(kuò)展至10 MHz）的優(yōu)勢(shì)外，還存在實(shí)現(xiàn)非?？焖倏刂骗h(huán)路的可能性。

快速控制環(huán)路意味著輸出電壓僅顯示很小的電壓偏差，即使動(dòng)態(tài)負(fù)載變化也是如此。FPGA尤其要求電源電壓不會(huì)超出狹窄的調(diào)節(jié)范圍，即使在高負(fù)載瞬變的情況下也是如此。確保這一點(diǎn)的一種方法是添加大量高質(zhì)量輸出電容，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的創(chuàng)新是通過(guò)節(jié)省電容器成本來(lái)資助的。

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。第一步是在IC外殼中集成多個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。這些產(chǎn)品通常被稱為電源管理集成電路（PMIC）。它們可節(jié)省電路板空間，可作為大批量電源管理 ASIC 提供，也可作為目錄產(chǎn)品作為常見(jiàn)應(yīng)用的通用 PMIC 解決方案提供。ADP5014是一種常用的電源構(gòu)建模塊，例如用于FPGA。圖4顯示了一個(gè)電路，其中PMIC模塊為FPGA供電。

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)壓器的示例。

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，只有輸入和輸出電容是外部的;電路的其余部分（包括電感）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，因此幾乎每種應(yīng)用都可以使用正確的模塊。目前，大約有 200 種不同的電源模塊可用。?

已經(jīng)優(yōu)化的μ模塊特別適合滿足復(fù)雜的電源要求。例如，LTM4700降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器可提供高達(dá)100 A的輸出電流。特殊的外殼可確保最佳的散熱，因此即使在這些高電流下，也能保證可靠的運(yùn)行。許多μModule的設(shè)計(jì)使得內(nèi)置電感器作為外殼的一部分，像散熱器一樣將熱量釋放到環(huán)境空氣中，因此電路板只需要吸收來(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的創(chuàng)新使得構(gòu)建不會(huì)過(guò)熱、針對(duì)應(yīng)用進(jìn)行優(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，如模數(shù)轉(zhuǎn)換器、模擬前端、微控制器和FPGA。所需電壓在減少，而所需電流在增加。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)可以解釋為什么電力供應(yīng)仍然具有很大的創(chuàng)新潛力，而商品化——即向成為一般商品的轉(zhuǎn)變——是不可預(yù)見(jiàn)的。

審核編輯：郭婷