【導(dǎo)讀】開關(guān)穩(wěn)壓器電路已經(jīng)存在多年，用戶可以選擇使用分立式組件來設(shè)計(jì)自己的產(chǎn)品，也可以購買模塊化成品。如今，能夠滿足最新的效率、EMI和功率密度要求的技術(shù)讓模塊化方案獲得更多的青睞。
長期以來，無論是直接用于負(fù)載還是作為分布式電源架構(gòu)的一部分，非隔離式開關(guān)穩(wěn)壓器一直是有效地將直流電源軌轉(zhuǎn)換為較低或較高電壓的主力。1950年代的第一批設(shè)計(jì)使用了真空管，與替代的“線性穩(wěn)壓器”相比轉(zhuǎn)換效率顯著提高，同時(shí)還開辟了提高直流電壓的可能性，而這在以前只有靠笨重的機(jī)械振動器才能實(shí)現(xiàn)。直到1970年代才出現(xiàn)了第一個(gè)使用 “電壓模式” 控制的開關(guān)電源IC控制芯片Silicon General SG1524。它的成功為使用不同控制和轉(zhuǎn)換技術(shù)的替代選擇開啟了新的大門。隨著幾十年的發(fā)展，雙極型晶體管和二極管雖然目前還在廣泛的應(yīng)用中，但將來被MOSFET及MOSFET同步整流器取代已成趨勢，即使是現(xiàn)在的Si-FET也受到SiC和GaN等寬帶隙材料的威脅。
轉(zhuǎn)換效率是衡量開關(guān)穩(wěn)壓器發(fā)展的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。多年來，這個(gè)數(shù)字一直在穩(wěn)步攀升，從80%提高到97%，在最新的設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)換效率甚至高于97%。更高的效率代表更高的功率密度，以瓦特/cm3為單位，可以得知設(shè)計(jì)中給定體積的組件能夠提供多少功率。規(guī)格書中標(biāo)出的功率密度越來越高，其中某些有一定程度的“創(chuàng)造性”。例如，一些IC穩(wěn)壓器標(biāo)榜的數(shù)據(jù)并沒有將所有必要的外部組件考慮在內(nèi)，尤其是體積較大的電感和電容。冷卻通常也是一個(gè)問題，只有通過幾乎不可實(shí)現(xiàn)的空氣流速或過于復(fù)雜的水冷卻才能達(dá)到驚人的功率密度。環(huán)境工作溫度范圍也同樣重要，不僅是散熱片溫度，如果部件在一定室溫以上必須大幅降額工作，這會直接降低有用功率。
最先進(jìn)的開關(guān)穩(wěn)壓器發(fā)展現(xiàn)狀s
非隔離式開關(guān)穩(wěn)壓器的發(fā)展也是組件集成在效率和功能性上不斷提高和發(fā)展的歷史。由于負(fù)載要求已從5V降到3.3V，之后降至現(xiàn)在的1V以下，因此輸出電壓不斷降低。隨著輸入電壓增加，系統(tǒng)功率也跟著增加，從而需要更高的總線電壓以及更低的電流消耗。IC控制芯片簡化了分立式組件的設(shè)計(jì)，其中控制器集成了開關(guān)晶體管和磁性組件。外圍功能如故障監(jiān)視、電流共享、同步和排序越來越廣泛運(yùn)用在IC設(shè)計(jì)中
從早期開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)時(shí)供應(yīng)商就已開始銷售完整封裝的轉(zhuǎn)換器模塊，在提供有效解決方案的同時(shí)協(xié)助客戶節(jié)省自行設(shè)計(jì)的工作量和風(fēng)險(xiǎn)。但有時(shí)很難推廣，因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)豐富的工程師不愿出高價(jià)購買自己就可以設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。對于銷售多年的產(chǎn)品而言，即使有來自內(nèi)部的設(shè)計(jì)時(shí)間問題和相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)也是可以容忍的，多年的銷售足以支付幾倍的研發(fā)成本。另外從頭開始設(shè)計(jì)開關(guān)電源所帶來的成就感也是一部分原因。
現(xiàn)在的情況有所不同，原始設(shè)備制造商（OEM）并不具備電源設(shè)計(jì)方面的專業(yè)知識，而且達(dá)到最佳性能所需的技術(shù)可能非常專業(yè)，甚至涉及到OEM可能無法提供的工藝，例如鐵氧體材料的成型。 除此之外，產(chǎn)品生命周期也變的更短，這意味著開發(fā)成本以及設(shè)計(jì)優(yōu)化或重復(fù)的EMC測試導(dǎo)致的延誤對投資回報(bào)的影響更大（圖1）。
圖1：產(chǎn)品延遲推出等于損失收入
當(dāng)然，控制IC制造商確實(shí)提供了各種方面的應(yīng)用信息讓設(shè)計(jì)看起來很容易，但是這些簡化的設(shè)計(jì)工具無法預(yù)測實(shí)際的電路要求。例如，建議的輸出電容通常太低不足以應(yīng)對現(xiàn)實(shí)生活中的動態(tài)負(fù)載，動態(tài)負(fù)載可能在激活和睡眠狀態(tài)之間的擺動幅度達(dá)到一百萬倍，產(chǎn)生不可接受的電壓跳變（圖2）。
圖2：降壓轉(zhuǎn)換器的負(fù)載階躍導(dǎo)致電壓瞬變
應(yīng)用指南里的電感器通常也會被加以“粉飾”，建議使用的部件是為了獲得最佳性能而不考慮價(jià)格和實(shí)用性。事實(shí)上，選擇最佳電感可能需要花費(fèi)數(shù)周來評估溫度、頻率和負(fù)載電流（靜態(tài)和動態(tài)）的性能。其他參數(shù)，例如電感的飽和特性和漏磁場在設(shè)計(jì)中可能非常重要。完整設(shè)計(jì)的EMC性能是一個(gè) “龐大的未知數(shù)” 直到最終PCB布好電路并選擇了最終組件才能得知，而此時(shí)更改成本會很高。電容器也有類似的情況，通常無法從規(guī)格書中獲得重要信息來進(jìn)行評估（如自感），所以很難在錯(cuò)綜復(fù)雜的性能和成本關(guān)系之間選出最佳零件。
目前，最先進(jìn)的開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)是通過控制IC來實(shí)現(xiàn)高功率密度，這些控制IC通常是BGA封裝，尺寸僅2mm x 2mm，焊盤矩陣的間距只有0.4mm。這可能不適合用戶的PCB組裝工藝，因?yàn)樾枰珳?zhǔn)的印錫和昂貴的X射線成像以檢查短路或不良焊點(diǎn)。同樣地，轉(zhuǎn)換器控制IC可能需要一個(gè)復(fù)雜的多層PCB，具有通向接地平面的填孔和埋孔以有效地將熱量從封裝散發(fā)到電路板。即使用戶在其他電路中不需使用到這種復(fù)雜的PCB，還是需要支付PCB制造成本。
最新的開關(guān)穩(wěn)壓器用途廣泛
有些人會主張電源模塊必須是通用的而不應(yīng)成為某種應(yīng)用的最佳方案，RECOM最新一代的產(chǎn)品就能夠在各種工作條件下實(shí)現(xiàn)高性能。例如RECOM的0.5A RPMH系列，輸入電壓范圍高達(dá)65V，輸出電壓范圍2.5V至28V可調(diào)。 這些性能全部都整合在12.19mm x 12.19mm x 3.75mm的EMI屏蔽封裝之中，無需強(qiáng)制風(fēng)冷即可在高達(dá)105°C的溫度下工作（圖3）。具有相同封裝且較高輸出電流3A的RPMB系列產(chǎn)品可在高達(dá)36V的輸入電壓下工作，輸出范圍1V至24V可調(diào)。同類型具有6A輸出電流的RPM系列，其最大輸入電壓較低，并采用相同的封裝尺寸。
圖3：12.19mm x 12.19mm x 3.75mm封裝的6A開關(guān)穩(wěn)壓器（RECOM RPM系列）
由于這些模塊已高度集成，因此增加一系列控制和監(jiān)視功能（例如開/關(guān)控制、遙感、遠(yuǎn)端反饋、軟啟動、電源良好信號和上電排序）也不會增加太多制造成本。這些模塊具有常規(guī)故障保護(hù)功能以防止輸入欠壓、短路、過電流和過熱。在不同的睡眠或滿負(fù)載條件下，應(yīng)用程序可以從幾乎零電流到額定最大值之間運(yùn)行，因此模塊通常會采用諸如多相轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞那邢嗉夹g(shù)來最大程度地降低輕載功耗并提升效率。
RECOM的電源模塊將使用先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)來獲得最高的功率密度，例如帶有包覆成型的引線框倒裝芯片技術(shù)。以RECOM RPX系列（圖4）為例，采用4.5mm x 4mm x 2mm QFN封裝，可達(dá)2.5A額定電流，而某些部件無需強(qiáng)制風(fēng)冷，滿載時(shí)的額定工作溫度高達(dá)95°C。以RPX系列為例，該部件需要外部電容才能發(fā)揮最大性能。其實(shí)這可以幫助提高整體功率密度，例如，電源可能已具有輸入電容，因此可以選擇輸出電容來達(dá)到所需的額定電壓。如果電容是在內(nèi)部的，那么尺寸必須增加，額定電壓為修調(diào)后最大電壓。
圖4：4.5 x 4 x 2mm QFN封裝2.5A開關(guān)穩(wěn)壓器（RECOM RPX系列）
板載穩(wěn)壓器通常需要兼具升壓和降壓的功能。一般應(yīng)用在電池供電的設(shè)備上，需要在電池放電時(shí)盡可能長時(shí)間的保持電力。如果要從正輸入得到正輸出電壓，傳統(tǒng)的解決方法是使用SEPIC、ZETA或Cuk轉(zhuǎn)換器，它們都需要兩個(gè)磁性組件以及復(fù)雜的控制回路。隨著集成度的提高，模塊化轉(zhuǎn)換器能以低成本實(shí)現(xiàn)不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如四開關(guān)升降壓，事實(shí)上這是一組可以“實(shí)時(shí)”配置為開關(guān)或二極管的MOSFET，在降壓和升壓模式之間無縫切換。以RECOM RBB系列為例，它采用LGA封裝，額定電流為3A，半磚封裝的3kW模塊具有9V至60V的輸入以及0V至60V的輸出電壓。通常應(yīng)用在48V轉(zhuǎn)24V或12V轉(zhuǎn)24V的電池電源轉(zhuǎn)換、電動汽車、電池穩(wěn)壓器或?qū)嶒?yàn)室大功率直流電源。
要模塊還是 “DIY” 顯而易見
采購一個(gè)結(jié)合所有工藝和設(shè)計(jì)技術(shù)來達(dá)到最佳性能的開關(guān)穩(wěn)壓器模塊，不但可以降低產(chǎn)品開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)還能夠節(jié)省用戶寶貴的時(shí)間和金錢。同面對不同組件的供應(yīng)商相比，采購、倉儲和處理一種組件，在供應(yīng)商和庫存管理方面將更加節(jié)省成本，如果需要最佳性能，甚至可以包括定制的磁性組件。這也可以節(jié)省SMD置件以及測試時(shí)間；對于某些必要的情況，也能夠節(jié)省認(rèn)證機(jī)構(gòu)核準(zhǔn)的時(shí)間與成本。另外，這還解決了替代產(chǎn)品的問題，因?yàn)樵絹碓蕉嗄K的功能和引腳排列符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)如DOSA。在計(jì)算總成本時(shí)，RECOM提供的模塊化解決方案定會大獲全勝：您不用再做這些工作了，因?yàn)槲覀円呀?jīng)幫您完成！
來源：RECOM
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