【導讀】開關穩(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計自己的產(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，無論是直接用于負載還是作為分布式電源架構的一部分，非隔離式開關穩(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年代的第一批設計使用了真空管，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械振動器才能實現(xiàn)。直到1970年代才出現(xiàn)了第一個使用 “電壓模式” 控制的開關電源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)換效率是衡量開關穩(wěn)壓器發(fā)展的一個標準。多年來，這個數(shù)字一直在穩(wěn)步攀升，從80%提高到97%，在最新的設計中轉(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，可以得知設計中給定體積的組件能夠提供多少功率。規(guī)格書中標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。冷卻通常也是一個問題，只有通過幾乎不可實現(xiàn)的空氣流速或過于復雜的水冷卻才能達到驚人的功率密度。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。
最先進的開關穩(wěn)壓器發(fā)展現(xiàn)狀s
非隔離式開關穩(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計，其中控制器集成了開關晶體管和磁性組件。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用在IC設計中
從早期開關穩(wěn)壓器設計時供應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協(xié)助客戶節(jié)省自行設計的工作量和風險。但有時很難推廣，因為經(jīng)驗豐富的工程師不愿出高價購買自己就可以設計的產(chǎn)品。對于銷售多年的產(chǎn)品而言，即使有來自內(nèi)部的設計時間問題和相關風險也是可以容忍的，多年的銷售足以支付幾倍的研發(fā)成本。另外從頭開始設計開關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，原始設備制造商（OEM）并不具備電源設計方面的專業(yè)知識，而且達到最佳性能所需的技術可能非常專業(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)成本以及設計優(yōu)化或重復的EMC測試導致的延誤對投資回報的影響更大（圖1）。
圖1：產(chǎn)品延遲推出等于損失收入
當然，控制IC制造商確實提供了各種方面的應用信息讓設計看起來很容易，但是這些簡化的設計工具無法預測實際的電路要求。例如，建議的輸出電容通常太低不足以應對現(xiàn)實生活中的動態(tài)負載，動態(tài)負載可能在激活和睡眠狀態(tài)之間的擺動幅度達到一百萬倍，產(chǎn)生不可接受的電壓跳變（圖2）。
圖2：降壓轉(zhuǎn)換器的負載階躍導致電壓瞬變
應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格和實用性。事實上，選擇最佳電感可能需要花費數(shù)周來評估溫度、頻率和負載電流（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計中可能非常重要。完整設計的EMC性能是一個 “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行評估（如自感），所以很難在錯綜復雜的性能和成本關系之間選出最佳零件。
目前，最先進的開關穩(wěn)壓器設計是通過控制IC來實現(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，因為需要精準的印錫和昂貴的X射線成像以檢查短路或不良焊點。同樣地，轉(zhuǎn)換器控制IC可能需要一個復雜的多層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雜的PCB，還是需要支付PCB制造成本。
最新的開關穩(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成為某種應用的最佳方案，RECOM最新一代的產(chǎn)品就能夠在各種工作條件下實現(xiàn)高性能。例如RECOM的0.5A RPMH系列，輸入電壓范圍高達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，無需強制風冷即可在高達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/關控制、遙感、遠端反饋、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載條件下，應用程序可以從幾乎零電流到額定最大值之間運行，因此模塊通常會采用諸如多相轉(zhuǎn)換器拓撲的切相技術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的生產(chǎn)技術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。以RECOM RPX系列（圖4）為例，采用4.5mm x 4mm x 2mm QFN封裝，可達2.5A額定電流，而某些部件無需強制風冷，滿載時的額定工作溫度高達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。一般應用在電池供電的設備上，需要在電池放電時盡可能長時間的保持電力。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，它們都需要兩個磁性組件以及復雜的控制回路。隨著集成度的提高，模塊化轉(zhuǎn)換器能以低成本實現(xiàn)不同的拓撲結(jié)構，例如四開關升降壓，事實上這是一組可以“實時”配置為開關或二極管的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)嶒炇掖蠊β手绷麟娫础?nbsp;
要模塊還是 “DIY” 顯而易見
采購一個結(jié)合所有工藝和設計技術來達到最佳性能的開關穩(wěn)壓器模塊，不但可以降低產(chǎn)品開發(fā)風險還能夠節(jié)省用戶寶貴的時間和金錢。同面對不同組件的供應商相比，采購、倉儲和處理一種組件，在供應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置件以及測試時間；對于某些必要的情況，也能夠節(jié)省認證機構核準的時間與成本。另外，這還解決了替代產(chǎn)品的問題，因為越來越多模塊的功能和引腳排列符合工業(yè)標準如DOSA。在計算總成本時，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，因為我們已經(jīng)幫您完成！
來源：RECOM
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