選擇合適的電源轉換器僅僅是找到最便宜的器件嗎？事實證明，電源電壓轉換領域的創(chuàng)新是值得的，并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。本文概述了一些在低成本功率轉換器上成功實現質量的應用示例。

電源轉換器幾乎用于所有電氣設備。多年來，它們已經根據各自的應用條件進行了設計和調整。今天的制造商之間有什么區(qū)別嗎？

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

大約20年前，當我開始在電源半導體領域工作時，電源行業(yè)的很大一部分正在經歷劇變。大多數應用正在從線性穩(wěn)壓器（LDO）過渡到更高效的開關穩(wěn)壓器。這主要是由于開發(fā)了帶有內部電源開關的開關穩(wěn)壓器IC和簡化的設計，極大地促進了此類開關穩(wěn)壓器解決方案的應用。凌力爾特公司（現為ADI公司的一部分）在實現這一根本性變革方面發(fā)揮了關鍵作用。

在那段重要時期之后，人們經常聽到電源業(yè)務不再產生任何重大創(chuàng)新，進一步發(fā)展只會朝著一個方向發(fā)展：降低成本。

簡單的電壓轉換就足夠了的應用

如今，簡單電壓轉換就足夠了的應用肯定存在。這些應用是用于消費類產品的非常便宜的開關模式電源。功率轉換器具有幾乎相同的技術特性，被廣泛提供。線性調節(jié)器的價格在幾歐分的范圍內。每個也只需幾美分即可獲得簡單的開關穩(wěn)壓器，但它們具有顯著的優(yōu)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，對于大多數應用來說，電源領域不會再有創(chuàng)新的預測被證明是錯誤的。即使在廉價的促銷品中，例如贈品，功率轉換質量也起著決定性的作用。這可以通過我多年來使用的促銷禮物來說明：用于我車內點煙器的USB充電適配器。它承諾高達 2 A 的充電電流。集成開關模式電源轉換器可將12 V轉換為5 V，可以很好地產生這2 A電流。使用標準開關穩(wěn)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，汽車收音機停止工作。轉換器的開關頻率和開關轉換的頻率會產生強烈的輻射，使無線電接收變得不可能。在選擇開關穩(wěn)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，必須在短暫運行后更換。在這里，最終產品的質量也直接取決于電源的質量。

適用于大多數應用的質量創(chuàng)新

考慮到持續(xù)產量和防止過多的電子廢物，需要開發(fā)更高質量的電源產品。因此，在大多數應用中，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。

提高轉換效率

能源要花錢。這筆錢是支付給公用事業(yè)公司，是否必須購買電池，還是產生費用，例如，為光伏系統(tǒng)制造太陽能電池，都無關緊要。因此，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(fā)生的能量損失會導致另一個問題：系統(tǒng)升溫。如果必須安裝額外的散熱器和風扇，可能會變得昂貴。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換的創(chuàng)新目標：用于極低功率（如能量收集或電池供電應用）和高功率（如千瓦范圍內的電源單元）。20年前，85%的轉換效率對于開關穩(wěn)壓器來說可能很好，但在當今的許多應用中，即使達到93%也是不夠的?？雌饋磉@種趨勢不會很快消失。100%的轉換效率似乎不容易達到，這將繼續(xù)成為目標。100%效率的電壓轉換沒有任何損失。

可以進行許多創(chuàng)新來提高效率。首先，可以降低RDS（ON）——即開關處于“導通”狀態(tài)的電阻——和開關的柵極電容。開關轉換的速度也可以提高。這降低了開關損耗。許多此類改進都是由新的開關技術（如GaN和SiC）提供的。

另一種選擇是降低無源元件（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(wěn)壓器拓撲的替代方法。LTC7821 混合轉換器就是一個例子。它結合了電荷泵和降壓轉換器，可在電源電壓轉換為較低電壓時實現非常高的效率。對于輸出電流為20 A的48 V至12 V轉換，開關頻率為500 kHz時可實現97.3%的轉換效率。240 W 的輸出功率由標準商用硅 MOSFET 產生。圖1顯示了混合降壓轉換概念。損耗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.混合開關穩(wěn)壓器拓撲結構，在某些應用中可實現特別高的轉換效率。

提高電磁兼容性

正在進行重要創(chuàng)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(wěn)壓器總是會產生電磁輻射。輻射通過每個開關穩(wěn)壓器中的脈沖電流產生。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(fā)射也會引發(fā)電子產品中其他電路段的功能問題。因此，減少產生的干擾非常重要。

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

過去幾年最大的創(chuàng)新之一是ADI公司的靜音切換器概念。通過平衡對稱脈沖電流和去除鍵合線等各種技巧，它顯著降低了開關穩(wěn)壓器電路的輻射發(fā)射。此概念如圖 2 所示。該創(chuàng)新技術可用于各種開關穩(wěn)壓器拓撲。圖2顯示了降壓轉換器拓撲的脈沖電流和由此產生的磁場。這些場分為兩部分，由于對稱排列，它們的方向相反，在很大程度上相互抵消。?

圖2.降壓開關穩(wěn)壓器中的脈沖電流，并通過靜音切換器技術消除產生的脈沖磁場。

電磁兼容的模擬

在經過認證的實驗室進行EMI測量是昂貴的。修改已經開發(fā)的硬件成本也很高。因此，電壓轉換電路設計的另一個重要支柱是使用ADI公司的LTpowerCAD等工具進行EMC優(yōu)化。在開發(fā)過程中使用仿真工具進行EMC優(yōu)化具有巨大的潛力。圖3顯示了作為LTpowerCAD開發(fā)環(huán)境一部分的EMI濾波器設計器。使用此工具，可以計算開關穩(wěn)壓器中的傳導輻射，如果干擾過高，可以設計濾波器以提供補救措施。?

圖3.LTpowerCAD工具，用于簡單計算開關穩(wěn)壓器電路中的傳導發(fā)射。

高開關頻率和快速控制環(huán)路

電源的另一個趨勢是向非常高的開關頻率發(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 就是這種現代開關穩(wěn)壓器 IC 的一個例子。它是ADI靜音開關平臺的降壓型開關穩(wěn)壓器。除了上述高開關頻率（可在LTC33xx系列開關穩(wěn)壓器中擴展至10 MHz）的優(yōu)勢外，還存在實現非常快速控制環(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，即使動態(tài)負載變化也是如此。FPGA尤其要求電源電壓不會超出狹窄的調節(jié)范圍，即使在高負載瞬變的情況下也是如此。確保這一點的一種方法是添加大量高質量輸出電容，或者以更優(yōu)雅、更便宜的方式使用具有高開關頻率的開關穩(wěn)壓器IC，從而獲得高控制環(huán)路帶寬。

開關穩(wěn)壓器IC的創(chuàng)新是通過節(jié)省電容器成本來資助的。

更高的集成度和易用性

出現大量創(chuàng)新的第四個領域是完整電源電路的高度集成。第一步是在IC外殼中集成多個開關穩(wěn)壓器。這些產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，也可作為目錄產品作為常見應用的通用 PMIC 解決方案提供。ADP5014是一種常用的電源構建模塊，例如用于FPGA。圖4顯示了一個電路，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關穩(wěn)壓器的示例。

除了高度集成之外，模塊還非常易于使用。一個模塊幾乎將整個開關穩(wěn)壓器電路集成在一個外殼中。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，因此幾乎每種應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。?

已經優(yōu)化的μ模塊特別適合滿足復雜的電源要求。例如，LTM4700降壓開關穩(wěn)壓器可提供高達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，也能保證可靠的運行。許多μModule的設計使得內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的創(chuàng)新使得構建不會過熱、針對應用進行優(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，并使該產品組在眾多應用領域中非常受歡迎。進一步創(chuàng)新的潛力仍然很大。

可以期待電源領域的更多創(chuàng)新

對電源的要求不斷變化，并適應電氣負載的發(fā)展，如模數轉換器、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，標準開關穩(wěn)壓器將不再能夠滿足未來的要求。這一發(fā)現可以解釋為什么電力供應仍然具有很大的創(chuàng)新潛力，而商品化——即向成為一般商品的轉變——是不可預見的。

審核編輯：郭婷