成功實現質量優于低成本電源轉換器的應用示例

選擇合適的電源轉換器僅僅是找到最便宜的部件嗎？事實證明，電源電壓轉換領域的創新是值得的，并且在市場上得到了回報——因為這些解決方案帶來了更高質量的產品。本文概述了一些成功實現質量優于低成本電源轉換器的應用示例。

電源轉換器幾乎用于所有電氣設備。多年來，它們已經針對各自的應用條件進行了設計和調整。今天的制造商之間有區別嗎？

“商品”一詞是指市場上不同制造商之間差別不大，其價格與原材料價格一樣主要由制造成本決定的貿易或商業物品。產品創新的空間很小。

大約 20 年前，當我開始在電源半導體領域工作時，很大一部分電源行業正在經歷一場巨變。大多數應用正在從線性穩壓器過渡到效率更高的開關穩壓器。這主要是通過開發具有內部電源開關的開關穩壓器 IC 和簡化的設計來實現的，這極大地促進了此類開關穩壓器解決方案的應用。凌力爾特公司現已成為 ADI 公司的一部分，在實現這一根本性變革方面發揮了關鍵作用。

在那段重要的時間之后，人們經常聽到電源業務無法再產生任何重大創新，而進一步的發展將朝著一個方向發展：降低成本。

簡單的電壓轉換就足夠的應用

當今存在簡單的電壓轉換就足夠的應用。這些應用是用于消費產品的非常便宜的開關模式電源。具有幾乎相同的技術特性的電源轉換器被廣泛提供。線性穩壓器的價格在幾歐分左右。簡單的開關穩壓器也只需幾美分，但它們具有顯著優勢，例如更高的效率和更高的輸出電流。

電壓轉換器市場的差異化

然而，對于大多數應用，電源領域將不再有創新的預測被證明是假的。即使在贈品等廉價促銷品中，電源轉換質量也起著決定性作用。這可以從我使用多年的促銷禮物來說明：我車上點煙器的 USB 充電適配器。它承諾高達 2 A 的充電電流。將 12 V 轉換為 5 V 的集成開關模式電源轉換器可以產生這些 2 A 電流。使用標準開關穩壓器來減少這種高功率下的熱損失。不幸的是，當使用此 USB 適配器時，車載收音機停止工作。轉換器的開關頻率和開關轉換的頻率導致了強輻射，使無線電接收變得不可能。在選擇開關穩壓器時，注意的是價格，而不是確保低電磁輻射。

另一個例子是帶有紐扣電池的廉價設備，在短暫運行后必須更換。在這里，最終產品的質量也直接取決于電源的質量。

大多數應用的質量創新

還考慮到持續良率和防止過多的電子浪費，需要開發更高質量的電源產品。因此，在大多數應用中，穩壓器并未成為商品。以下是一些非常成功的創新目標。

提高轉換效率

能源要花錢。這筆錢是否支付給公用事業公司并不重要。必須購買電池或產生費用，例如為光伏系統制造太陽能電池。由于這個事實，對于所有電源，轉換效率都很重要。在某些情況下，它甚至是決定性的。

電壓轉換過程中發生的能量損失會導致另一個問題：加熱系統。如果必須安裝額外的散熱器和風扇，它可能會變得昂貴。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換的創新目標：對于極低功率（如在能量收集或電池供電的應用中）和高功率（如在千瓦范圍內的電源單元）。85% 的轉換效率對于 20 年前的開關穩壓器來說可能是不錯的，但在當今的許多應用中，即使是 93% 也不夠?？雌饋磉@種趨勢不會很快消失。100% 的轉換效率似乎并不容易達到，但仍將是目標。100% 效率的電壓轉換沒有任何損失。

可以進行許多創新以提高效率。一方面，可以降低通態電阻（R DS(on) ）和開關的柵極電容。也可以增加開關轉換的速度。這降低了開關損耗。許多此類改進是由 GaN 和 SiC 等新開關技術提供的。

另一種選擇是減少無源元件（例如電感器和電容器）的損耗。

除了這些明顯的調整之外，還存在涉及開關穩壓器拓撲的替代方法。LTC7821混合轉換器就是一個例子。它將電荷泵與降壓轉換器相結合，以在電源電壓轉換為較低電壓時實現非常高的效率。對于在 20 A 的輸出電流下將 48 V 轉換為 12 V，在 500 kHz 的開關頻率下可以實現 97.3% 的轉換效率。使用標準商用硅 MOSFET 可產生 240 W 的輸出功率。圖 1 說明了混合降壓轉換概念。損耗之所以如此之低，是因為電荷泵的工作效率極高，并且由于電源電壓已經減半，下游降壓轉換器可以在最佳電壓范圍內工作。

圖 1：用于在某些應用中實現特別高轉換效率的混合開關穩壓器拓撲

EMC的改善

正在進行重要創新的第二個領域是電磁兼容性 (EMC)。這是獲得電路批準的重要先決條件。開關穩壓器總是會產生電磁輻射。發射是通過每個開關穩壓器中的脈沖電流產生的。它們取決于開關頻率和開關轉換的速度。所用電源中的輻射和傳導發射也可能引發電子設備中其他電路部分的功能問題。因此，減少產生的干擾非常重要。

推動創新以減少對額外過濾器的需求。具有較少干擾的開關穩壓器意味著附加濾波器和屏蔽組件的成本較低。改進的開關穩壓器IC因此受到用戶的歡迎。

過去幾年最大的創新之一是 ADI 的 Silent Switcher 概念。通過各種技巧，例如平衡對稱脈沖電流和去除鍵合線，它顯著降低了開關穩壓器電路的輻射發射。這一概念如圖 2 所示。該創新可與各種開關穩壓器拓撲一起使用。圖 2 顯示了降壓轉換器拓撲的脈沖電流和產生的磁場。這些場分為兩部分，并且由于對稱排列，它們處于相反的方向并在很大程度上相互抵消。

圖 2：降壓開關穩壓器中的脈沖電流和通過 Silent Switcher 技術消除產生的脈沖磁場

快速控制回路意味著輸出電壓僅顯示很小的電壓偏差，即使在動態負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節范圍，即使在高負載瞬態情況下也是如此。確保這一點的一種方法是添加大量高質量的輸出電容器，或者以更優雅、更便宜的方式使用具有高開關頻率的開關穩壓器 IC，從而獲得高控制環路帶寬。

開關穩壓器 IC 創新的資金來自于電容器成本的節省。

圖 3：用于簡單計算開關穩壓器電路中傳導發射的 LTpowerCAD 工具

更高的集成度和易用性

出現大量創新的第四個領域是完整電源電路的高度集成。第一步是將多個開關穩壓器集成到一個 IC 外殼中。這些產品通常被稱為電源管理集成電路 (PMIC)。它們節省了電路板上的空間，可作為大批量的電源管理 ASIC 或作為目錄產品用于常見應用的通用 PMIC 解決方案。ADP5014是一種流行的電源構建模塊，例如用于 FPGA 。圖 4 顯示了一個帶有這種 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關穩壓器示例

除了高度集成之外，模塊還非常易于使用。一個模塊幾乎將整個開關穩壓器電路集成在一個外殼中。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源元件。該模塊可以簡單地焊接到主板上，以可靠地產生所需的電壓。由于選擇了 μModule，幾乎所有應用都可以使用正確的模塊。目前，大約有 200 個電源模塊可用。

已經優化的 μModules 特別適合滿足復雜的電源要求。例如，LTM4700降壓型開關穩壓器可提供高達 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行。許多 μModule 的設計使得作為外殼的一部分的內置電感器像散熱器一樣將熱量釋放到環境空氣中，因此，電路板只需吸收來自電源的少量額外熱量. 這大大簡化了大功率電源的設計。

μModule 創新使構建不會過熱、針對應用進行了優化且易于使用的小型電路成為可能。所有這些都節省了資金，并使該產品組在眾多應用領域中非常受歡迎。進一步創新的潛力仍然很大。

可以期待電源領域的更多創新

對電源的要求不斷變化并適應電氣負載的發展，例如模數轉換器、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，標準開關穩壓器將不再能夠滿足未來的要求。這一發現可以解釋為什么電源仍然具有很大的創新潛力，而商品化——即向普通商品的轉變——是不可預見的。

　　審核編輯：湯梓紅