成功实现质量优于低成本电源转换器的应用示例

选择合适的电源转换器仅仅是找到最便宜的部件吗？事实证明，电源电压转换领域的创新是值得的，并且在市场上得到了回报——因为这些解决方案带来了更高质量的产品。本文概述了一些成功实现质量优于低成本电源转换器的应用示例。

电源转换器几乎用于所有电气设备。多年来，它们已经针对各自的应用条件进行了设计和调整。今天的制造商之间有区别吗？

“商品”一词是指市场上不同制造商之间差别不大，其价格与原材料价格一样主要由制造成本决定的贸易或商业物品。产品创新的空间很小。

大约 20 年前，当我开始在电源半导体领域工作时，很大一部分电源行业正在经历一场巨变。大多数应用正在从线性稳压器过渡到效率更高的开关稳压器。这主要是通过开发具有内部电源开关的开关稳压器 IC 和简化的设计来实现的，这极大地促进了此类开关稳压器解决方案的应用。凌力尔特公司现已成为 ADI 公司的一部分，在实现这一根本性变革方面发挥了关键作用。

在那段重要的时间之后，人们经常听到电源业务无法再产生任何重大创新，而进一步的发展将朝着一个方向发展：降低成本。

简单的电压转换就足够的应用

当今存在简单的电压转换就足够的应用。这些应用是用于消费产品的非常便宜的开关模式电源。具有几乎相同的技术特性的电源转换器被广泛提供。线性稳压器的价格在几欧分左右。简单的开关稳压器也只需几美分，但它们具有显着优势，例如更高的效率和更高的输出电流。

电压转换器市场的差异化

然而，对于大多数应用，电源领域将不再有创新的预测被证明是假的。即使在赠品等廉价促销品中，电源转换质量也起着决定性作用。这可以从我使用多年的促销礼物来说明：我车上点烟器的 USB 充电适配器。它承诺高达 2 A 的充电电流。将 12 V 转换为 5 V 的集成开关模式电源转换器可以产生这些 2 A 电流。使用标准开关稳压器来减少这种高功率下的热损失。不幸的是，当使用此 USB 适配器时，车载收音机停止工作。转换器的开关频率和开关转换的频率导致了强辐射，使无线电接收变得不可能。在选择开关稳压器时，注意的是价格，而不是确保低电磁辐射。

另一个例子是带有纽扣电池的廉价设备，在短暂运行后必须更换。在这里，最终产品的质量也直接取决于电源的质量。

大多数应用的质量创新

还考虑到持续良率和防止过多的电子浪费，需要开发更高质量的电源产品。因此，在大多数应用中，稳压器并未成为商品。以下是一些非常成功的创新目标。

提高转换效率

能源要花钱。这笔钱是否支付给公用事业公司并不重要。必须购买电池或产生费用，例如为光伏系统制造太阳能电池。由于这个事实，对于所有电源，转换效率都很重要。在某些情况下，它甚至是决定性的。

电压转换过程中发生的能量损失会导致另一个问题：加热系统。如果必须安装额外的散热器和风扇，它可能会变得昂贵。电子电路的可靠性和耐用性通常也很大程度上取决于工作温度。

提高效率基本上是所有功率转换的创新目标：对于极低功率（如在能量收集或电池供电的应用中）和高功率（如在千瓦范围内的电源单元）。85% 的转换效率对于 20 年前的开关稳压器来说可能是不错的，但在当今的许多应用中，即使是 93% 也不够。看起来这种趋势不会很快消失。100% 的转换效率似乎并不容易达到，但仍将是目标。100% 效率的电压转换没有任何损失。

可以进行许多创新以提高效率。一方面，可以降低通态电阻（R DS(on) ）和开关的栅极电容。也可以增加开关转换的速度。这降低了开关损耗。许多此类改进是由 GaN 和 SiC 等新开关技术提供的。

另一种选择是减少无源元件（例如电感器和电容器）的损耗。

除了这些明显的调整之外，还存在涉及开关稳压器拓扑的替代方法。LTC7821混合转换器就是一个例子。它将电荷泵与降压转换器相结合，以在电源电压转换为较低电压时实现非常高的效率。对于在 20 A 的输出电流下将 48 V 转换为 12 V，在 500 kHz 的开关频率下可以实现 97.3% 的转换效率。使用标准商用硅 MOSFET 可产生 240 W 的输出功率。图 1 说明了混合降压转换概念。损耗之所以如此之低，是因为电荷泵的工作效率极高，并且由于电源电压已经减半，下游降压转换器可以在最佳电压范围内工作。

图 1：用于在某些应用中实现特别高转换效率的混合开关稳压器拓扑

EMC的改善

正在进行重要创新的第二个领域是电磁兼容性 (EMC)。这是获得电路批准的重要先决条件。开关稳压器总是会产生电磁辐射。发射是通过每个开关稳压器中的脉冲电流产生的。它们取决于开关频率和开关转换的速度。所用电源中的辐射和传导发射也可能引发电子设备中其他电路部分的功能问题。因此，减少产生的干扰非常重要。

推动创新以减少对额外过滤器的需求。具有较少干扰的开关稳压器意味着附加滤波器和屏蔽组件的成本较低。改进的开关稳压器IC因此受到用户的欢迎。

过去几年最大的创新之一是 ADI 的 Silent Switcher 概念。通过各种技巧，例如平衡对称脉冲电流和去除键合线，它显着降低了开关稳压器电路的辐射发射。这一概念如图 2 所示。该创新可与各种开关稳压器拓扑一起使用。图 2 显示了降压转换器拓扑的脉冲电流和产生的磁场。这些场分为两部分，并且由于对称排列，它们处于相反的方向并在很大程度上相互抵消。

图 2：降压开关稳压器中的脉冲电流和通过 Silent Switcher 技术消除产生的脉冲磁场

快速控制回路意味着输出电压仅显示很小的电压偏差，即使在动态负载变化的情况下也是如此。FPGA 尤其要求电源电压不超出窄调节范围，即使在高负载瞬态情况下也是如此。确保这一点的一种方法是添加大量高质量的输出电容器，或者以更优雅、更便宜的方式使用具有高开关频率的开关稳压器 IC，从而获得高控制环路带宽。

开关稳压器 IC 创新的资金来自于电容器成本的节省。

图 3：用于简单计算开关稳压器电路中传导发射的 LTpowerCAD 工具

更高的集成度和易用性

出现大量创新的第四个领域是完整电源电路的高度集成。第一步是将多个开关稳压器集成到一个 IC 外壳中。这些产品通常被称为电源管理集成电路 (PMIC)。它们节省了电路板上的空间，可作为大批量的电源管理 ASIC 或作为目录产品用于常见应用的通用 PMIC 解决方案。ADP5014是一种流行的电源构建模块，例如用于 FPGA 。图 4 显示了一个带有这种 PMIC 模块为 FPGA 供电的电路。

图 4：ADP5014 作为具有四种不同输出电压的高度集成开关稳压器示例

除了高度集成之外，模块还非常易于使用。一个模块几乎将整个开关稳压器电路集成在一个外壳中。通常只有输入输出电容是外接的；电路的其余部分，包括电感器，都是集成的。因此，用户不再需要选择外部无源元件。该模块可以简单地焊接到主板上，以可靠地产生所需的电压。由于选择了 µModule，几乎所有应用都可以使用正确的模块。目前，大约有 200 个电源模块可用。

已经优化的 µModules 特别适合满足复杂的电源要求。例如，LTM4700降压型开关稳压器可提供高达 100A 的输出电流。特殊外壳可确保最佳散热，因此即使在这些高电流下也能保证可靠运行。许多 µModule 的设计使得作为外壳的一部分的内置电感器像散热器一样将热量释放到环境空气中，因此，电路板只需吸收来自电源的少量额外热量. 这大大简化了大功率电源的设计。

µModule 创新使构建不会过热、针对应用进行了优化且易于使用的小型电路成为可能。所有这些都节省了资金，并使该产品组在众多应用领域中非常受欢迎。进一步创新的潜力仍然很大。

可以期待电源领域的更多创新

对电源的要求不断变化并适应电气负载的发展，例如模数转换器、模拟前端、微控制器和 FPGA。所需电压正在降低，而所需电流正在增加。因此，标准开关稳压器将不再能够满足未来的要求。这一发现可以解释为什么电源仍然具有很大的创新潜力，而商品化——即向普通商品的转变——是不可预见的。

　　审核编辑：汤梓红