為什么功率轉(zhuǎn)換仍然算不上大宗商品

作者：ADI現(xiàn)場應(yīng)用工程師Frederik Dostal

選擇合適的電源轉(zhuǎn)換器僅僅意味著找到最便宜的器件嗎？事實(shí)證明，電源電壓轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的創(chuàng)新是值得的，并且在市場上獲得了回報(bào)——因?yàn)檫@些解決方案帶來了更高質(zhì)量的產(chǎn)品。ADI將在本文概述一些利用低成本電源轉(zhuǎn)換器成功實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量產(chǎn)品的應(yīng)用實(shí)例。

幾乎所有電氣設(shè)備都會使用電源轉(zhuǎn)換器。多年來，人們針對不同的應(yīng)用條件設(shè)計(jì)和調(diào)整電源轉(zhuǎn)換器。今天的制造商之間是否有差異化？

(相關(guān)資料圖)

“大宗商品”特指這樣一類商品——市場上不同制造商生產(chǎn)的該商品之間差別不大，并且各自的價(jià)格（像原材料價(jià)格一樣）主要由制造成本決定，產(chǎn)品創(chuàng)新的空間很小。

大約20年前，我開始在電源半導(dǎo)體領(lǐng)域工作，當(dāng)時(shí)電源行業(yè)的很大一部分應(yīng)用正在經(jīng)歷一場劇變。大多數(shù)應(yīng)用正從線性穩(wěn)壓器(LDO)過渡到效率更高的開關(guān)穩(wěn)壓器。這主要是通過開發(fā)內(nèi)置功率開關(guān)的開關(guān)穩(wěn)壓器IC，以及大大便利此類開關(guān)穩(wěn)壓器解決方案應(yīng)用的簡化設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)的。凌力爾特公司（現(xiàn)為ADI公司的一部分）在實(shí)現(xiàn)這一根本性變革中發(fā)揮了重要作用。

在那段重要時(shí)期之后，人們經(jīng)常聽到這樣的說法——電源業(yè)務(wù)再也無法產(chǎn)生重大創(chuàng)新，進(jìn)一步的發(fā)展只會朝著一個(gè)方向前進(jìn)：降低成本。

簡單電壓轉(zhuǎn)換即足夠的應(yīng)用

當(dāng)今肯定存在簡單電壓轉(zhuǎn)換即足夠的應(yīng)用。用于消費(fèi)類產(chǎn)品的非常便宜的開關(guān)模式電源就是此類應(yīng)用。具有幾乎相同技術(shù)特性的電源轉(zhuǎn)換器廣泛存在。線性穩(wěn)壓器的價(jià)格在幾歐分左右。簡單的開關(guān)穩(wěn)壓器也能以每個(gè)幾美分的價(jià)格獲得，但其具有明顯的優(yōu)勢，例如更高的效率和更大的輸出電流。

電壓轉(zhuǎn)換器市場的差異化

然而，對于大多數(shù)應(yīng)用而言，電源領(lǐng)域?qū)⒉辉儆袆?chuàng)新的預(yù)測被證明是錯誤的。即使在贈品等廉價(jià)促銷品中，電源轉(zhuǎn)換質(zhì)量也起著決定性作用。這可以用我已使用多年的一件促銷禮物來說明：我車上點(diǎn)煙器的USB充電適配器。它承諾提供最高2A的充電電流。集成開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器將12V轉(zhuǎn)換為5V，可以很好地產(chǎn)生2A電流。它使用標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)穩(wěn)壓器來減少如此高功率下的熱損失。遺憾的是，當(dāng)使用此USB適配器時(shí)，車載收音機(jī)便停止工作。轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率和開關(guān)轉(zhuǎn)換的頻率引起了強(qiáng)輻射，使無線電接收變得不可能。選擇開關(guān)穩(wěn)壓器時(shí)，注意的是價(jià)格，而不是確保低電磁輻射。

另一個(gè)例子是帶紐扣電池的廉價(jià)設(shè)備，短時(shí)間運(yùn)行后就要更換電池。在這里，最終產(chǎn)品的質(zhì)量同樣直接取決于電源的質(zhì)量。

適合大多數(shù)應(yīng)用的高質(zhì)量創(chuàng)新

還要考慮到持續(xù)良率以及防止過多電子廢料，這也需要開發(fā)更高質(zhì)量的電源產(chǎn)品。因此，在大多數(shù)應(yīng)用中，穩(wěn)壓器并未成為大宗商品。以下是一些非常成功的創(chuàng)新目標(biāo)。

提高轉(zhuǎn)換效率

能源是要花錢的。這筆錢是支付給電力公司，用于購買電池，還是為光伏系統(tǒng)制造太陽能電池所導(dǎo)致的開銷，無關(guān)緊要。因此，對于所有電源，轉(zhuǎn)換效率都很重要。在某些情況下，它甚至是決定性的。

電壓轉(zhuǎn)換過程中發(fā)生的能量損耗會導(dǎo)致另一個(gè)問題：系統(tǒng)升溫。如果必須安裝額外的散熱器和風(fēng)扇，成本可能變得相當(dāng)高。電子電路的可靠性和耐用性通常也嚴(yán)重依賴于工作溫度。?

無論是極低功率（如能量收集或電池供電應(yīng)用）還是高功率（如kW范圍的電源單元），提高效率基本上是所有功率轉(zhuǎn)換的創(chuàng)新目標(biāo)。20年前，85%的轉(zhuǎn)換效率對于開關(guān)穩(wěn)壓器來說可能很不錯，但在今天的許多應(yīng)用中，即使93%也不夠高。看起來這種趨勢不會很快消失。100%的轉(zhuǎn)換效率似乎并不容易達(dá)到，但仍將是目標(biāo)。100%效率的電壓轉(zhuǎn)換意味著沒有任何損失。?

為了提高效率，可以進(jìn)行許多創(chuàng)新。創(chuàng)新之一是可以降低RDS(ON)（即處于“導(dǎo)通”狀態(tài)的開關(guān)的電阻）和開關(guān)的柵極電容。另外也可以提高開關(guān)轉(zhuǎn)換的速度，這會降低開關(guān)損耗。許多此類改進(jìn)是由GaN和SiC等新型開關(guān)技術(shù)提供的。?

另一種選擇是降低無源元件（如電感和電容）的損耗。

除了這些明顯的調(diào)整之外，還有涉及開關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方法。LTC7821混合轉(zhuǎn)換器就是一個(gè)例子。它將電荷泵與降壓轉(zhuǎn)換器相結(jié)合，在電源電壓轉(zhuǎn)換為較低電壓時(shí)可實(shí)現(xiàn)非常高的效率。對于48V至12V轉(zhuǎn)換，在20A輸出電流和500kHz開關(guān)頻率的條件下，可以實(shí)現(xiàn)97.3%的轉(zhuǎn)換效率。使用標(biāo)準(zhǔn)商用硅MOSFET可產(chǎn)生240W的輸出功率。圖1說明了混合降壓轉(zhuǎn)換概念。損耗之所以如此之低，是因?yàn)殡姾杀玫墓ぷ餍蕵O高，而且由于電源電壓已經(jīng)減半，下游降壓轉(zhuǎn)換器可以在最優(yōu)電壓范圍內(nèi)工作。

圖1.混合開關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用于在某些應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)特別高的轉(zhuǎn)換效率

改善電磁兼容性

正在進(jìn)行重要創(chuàng)新的第二個(gè)領(lǐng)域是電磁兼容性(EMC)。這是電路獲得批準(zhǔn)的重要先決條件。開關(guān)穩(wěn)壓器總是會產(chǎn)生電磁輻射。輻射是每個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器都有的脈沖電流產(chǎn)生的，其大小取決于開關(guān)頻率和開關(guān)轉(zhuǎn)換的速度。所用電源中的輻射和傳導(dǎo)發(fā)射也可能引發(fā)電子設(shè)備中其他電路部分的功能問題。因此，減少所產(chǎn)生的干擾非常重要。

推動創(chuàng)新的動力之一是以減少對額外濾波器的需求。開關(guān)穩(wěn)壓器的干擾越少，則附加濾波器和屏蔽元件的成本越低。因此，改進(jìn)的開關(guān)穩(wěn)壓器IC很受用戶歡迎。

過去幾年最大的創(chuàng)新之一是ADI的Silent Switcher^?概念。它通過各種技巧，例如平衡對稱脈沖電流和去除鍵合線，顯著降低了開關(guān)穩(wěn)壓器電路的輻射發(fā)射。此概念如圖2所示。該創(chuàng)新可配合各種開關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)涫褂谩D2顯示了降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞拿}沖電流和所產(chǎn)生的磁場。磁場分為兩部分，由于對稱排列，它們方向相反，在很大程度上彼此抵消。

圖2.降壓開關(guān)穩(wěn)壓器中的脈沖電流，Silent Switcher技術(shù)使所產(chǎn)生的脈沖磁場相互抵消

EMC仿真

在經(jīng)過認(rèn)證的測試實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行EMI測量的成本很高。修改已經(jīng)開發(fā)好的硬件也很昂貴。因此，電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要支柱是使用ADI LTpowerCAD^?等工具進(jìn)行EMC優(yōu)化。在開發(fā)過程中使用仿真工具實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)器。利用此工具可以計(jì)算開關(guān)穩(wěn)壓器的傳導(dǎo)發(fā)射，如果干擾太高，可以設(shè)計(jì)濾波器來提供補(bǔ)救措施。

高開關(guān)頻率和快速控制環(huán)路

電源的另一個(gè)趨勢是開關(guān)頻率越來越高，這使得低成本且節(jié)省空間的電路成為可能。在電源輸出端的電壓紋波相同的情況下，使用較低的電感和電容值可以降低電感和電容的成本。LTC3311就是這種現(xiàn)代開關(guān)穩(wěn)壓器IC的一個(gè)例子。它是基于ADI Silent Switcher平臺的降壓開關(guān)穩(wěn)壓器。對于高開關(guān)頻率（LTC33xx開關(guān)穩(wěn)壓器系列可擴(kuò)展到10MHz），除了上述優(yōu)勢外，還存在實(shí)現(xiàn)非?？焖倏刂骗h(huán)路的可能性。

快速控制環(huán)路意味著即使動態(tài)負(fù)載發(fā)生變化，輸出電壓也僅表現(xiàn)出很小的電壓偏差。尤其是FPGA，它要求即使在高負(fù)載瞬變情況下，電源電壓也不能超出一個(gè)很窄的調(diào)節(jié)范圍。確保這一點(diǎn)的方法之一是添加大量高質(zhì)量輸出電容，而更優(yōu)雅且更便宜的方法是使用高開關(guān)頻率的開關(guān)穩(wěn)壓器IC，從而獲得高控制環(huán)路帶寬。?

電容成本的節(jié)省為開關(guān)穩(wěn)壓器IC創(chuàng)新提供了資金。

圖3.LTpowerCAD工具，用于簡單計(jì)算開關(guān)穩(wěn)壓器電路中的傳導(dǎo)發(fā)射

更高的集成度和易用性

正在出現(xiàn)大量創(chuàng)新的第四個(gè)領(lǐng)域是高集成度的完整電源電路。第一步是將多個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器集成到一個(gè)IC外殼中。這些產(chǎn)品通常被稱為電源管理集成電路(PMIC)。它們節(jié)省了電路板空間，可作為大批量電源管理ASIC提供，或作為目錄產(chǎn)品提供，用作常見應(yīng)用的通用PMIC解決方案。 ADP5014 是一款受歡迎的電源構(gòu)建模塊——例如，用于FPGA。 圖4顯示了一個(gè)使用這種PMIC模塊為FPGA供電的電路。

圖4.作為范例，ADP5014是一款提供四個(gè)不同輸出電壓的高集成度開關(guān)穩(wěn)壓器

除高度集成外，模塊還非常易于使用。模塊幾乎將整個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器電路集成在一個(gè)外殼中。通常，只有輸入和輸出電容是外接的，電路其余部分（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。模塊可以簡單地焊接到主板上，可靠地產(chǎn)生所需的電壓。μModule^?選擇的存在使得幾乎所有應(yīng)用都有合適的模塊可用。目前，大約有200種不同的電源模塊可供使用。

已經(jīng)優(yōu)化的μModule特別適合于滿足復(fù)雜的電源要求。例如，LTM4700 降壓開關(guān)穩(wěn)壓器可提供高達(dá)100A的輸出電流。特殊外殼確保散熱最優(yōu)，因此即使在這種高電流情況下，也能保證可靠運(yùn)行。 許多μModule采用特別設(shè)計(jì)，使得作為外殼一部分的內(nèi)置電感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(shè)計(jì)。

μModule創(chuàng)新使得構(gòu)建不會過熱、針對應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化且易于使用的小型電路成為可能。所有這些都能節(jié)省資金，使該產(chǎn)品組在眾多應(yīng)用領(lǐng)域中非常受歡迎。進(jìn)一步創(chuàng)新的潛力仍然很大。

預(yù)期電源領(lǐng)域會有更多創(chuàng)新

隨著模數(shù)轉(zhuǎn)換器、模擬前端、微控制器和FPGA等電氣負(fù)載的發(fā)展，對電源的要求在不斷變化和調(diào)整。需要的電壓正在降低，而需要的電流卻在增加。因此，標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)穩(wěn)壓器將不再能夠滿足未來的需求。這一發(fā)現(xiàn)可以解釋為什么電源仍有很大的創(chuàng)新潛力，以及為何在可預(yù)見的將來，它不會轉(zhuǎn)而成為“大宗商品”。

關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實(shí)現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財(cái)年收入超過120億美元，全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請?jiān)L問www.analog.com/cn。

關(guān)于作者

Frederik Dostal曾就讀于德國埃爾蘭根大學(xué)微電子學(xué)專業(yè)。他于2001年開始工作，涉足電源管理業(yè)務(wù)，曾擔(dān)任各種應(yīng)用工程師職位，并在亞利桑那州鳳凰城工作了4年，負(fù)責(zé)開關(guān)模式電源。他于2009年加入ADI公司，并在慕尼黑ADI公司擔(dān)任電源管理現(xiàn)場應(yīng)用工程師。

關(guān)鍵詞： 電源轉(zhuǎn)換器 轉(zhuǎn)換效率 大宗商品 脈沖電流 電源電壓