在低成本功率转换器上成功实现质量的应用示例

选择合适的电源转换器仅仅是找到最便宜的器件吗？事实证明，电源电压转换领域的创新是值得的，并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。本文概述了一些在低成本功率转换器上成功实现质量的应用示例。

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

“商品”一词是指一种贸易或商业物品，其特点是市场上不同制造商之间几乎没有区别，各自的价格（如原材料的价格）主要由制造成本决定，并且只有很小的产品创新空间。

大约20年前，当我开始在电源半导体领域工作时，电源行业的很大一部分正在经历剧变。大多数应用正在从线性稳压器（LDO）过渡到更高效的开关稳压器。这主要是由于开发了带有内部电源开关的开关稳压器IC和简化的设计，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。

在那段重要时期之后，人们经常听到电源业务不再产生任何重大创新，进一步发展只会朝着一个方向发展：降低成本。

简单的电压转换就足够了的应用

如今，简单电压转换就足够了的应用肯定存在。这些应用是用于消费类产品的非常便宜的开关模式电源。功率转换器具有几乎相同的技术特性，被广泛提供。线性调节器的价格在几欧分的范围内。每个也只需几美分即可获得简单的开关稳压器，但它们具有显着的优势，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，对于大多数应用来说，电源领域不会再有创新的预测被证明是错误的。即使在廉价的促销品中，例如赠品，功率转换质量也起着决定性的作用。这可以通过我多年来使用的促销礼物来说明：用于我车内点烟器的USB充电适配器。它承诺高达 2 A 的充电电流。集成开关模式电源转换器可将12 V转换为5 V，可以很好地产生这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，汽车收音机停止工作。转换器的开关频率和开关转换的频率会产生强烈的辐射，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，必须在短暂运行后更换。在这里，最终产品的质量也直接取决于电源的质量。

适用于大多数应用的质量创新

考虑到持续产量和防止过多的电子废物，需要开发更高质量的电源产品。因此，在大多数应用中，稳压器尚未成为商品。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。这笔钱是支付给公用事业公司，是否必须购买电池，还是产生费用，例如，为光伏系统制造太阳能电池，都无关紧要。因此，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：系统升温。如果必须安装额外的散热器和风扇，可能会变得昂贵。电子电路的可靠性和耐用性通常也在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：用于极低功率（如能量收集或电池供电应用）和高功率（如千瓦范围内的电源单元）。20年前，85%的转换效率对于开关稳压器来说可能很好，但在当今的许多应用中，即使达到93%也是不够的。看起来这种趋势不会很快消失。100%的转换效率似乎不容易达到，这将继续成为目标。100%效率的电压转换没有任何损失。

可以进行许多创新来提高效率。首先，可以降低RDS（ON）——即开关处于“导通”状态的电阻——和开关的栅极电容。开关转换的速度也可以提高。这降低了开关损耗。许多此类改进都是由新的开关技术（如GaN和SiC）提供的。

另一种选择是降低无源元件（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。它结合了电荷泵和降压转换器，可在电源电压转换为较低电压时实现非常高的效率。对于输出电流为20 A的48 V至12 V转换，开关频率为500 kHz时可实现97.3%的转换效率。240 W 的输出功率由标准商用硅 MOSFET 产生。图1显示了混合降压转换概念。损耗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.混合开关稳压器拓扑结构，在某些应用中可实现特别高的转换效率。

提高电磁兼容性

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。辐射通过每个开关稳压器中的脉冲电流产生。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会引发电子产品中其他电路段的功能问题。因此，减少产生的干扰非常重要。

创新旨在减少对额外过滤器的需求。干扰较小的开关稳压器意味着附加滤波器和屏蔽元件的成本更低。因此，改进型开关稳压器IC深受用户欢迎。

过去几年最大的创新之一是ADI公司的静音切换器概念。通过平衡对称脉冲电流和去除键合线等各种技巧，它显着降低了开关稳压器电路的辐射发射。此概念如图 2 所示。该创新技术可用于各种开关稳压器拓扑。图2显示了降压转换器拓扑的脉冲电流和由此产生的磁场。这些场分为两部分，由于对称排列，它们的方向相反，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，并通过静音切换器技术消除产生的脉冲磁场。

电磁兼容的模拟

在经过认证的实验室进行EMI测量是昂贵的。修改已经开发的硬件成本也很高。因此，电压转换电路设计的另一个重要支柱是使用ADI公司的LTpowerCAD等工具进行EMC优化。在开发过程中使用仿真工具进行EMC优化具有巨大的潜力。图3显示了作为LTpowerCAD开发环境一部分的EMI滤波器设计器。使用此工具，可以计算开关稳压器中的传导辐射，如果干扰过高，可以设计滤波器以提供补救措施。®

图3.LTpowerCAD工具，用于简单计算开关稳压器电路中的传导发射。

高开关频率和快速控制环路

电源的另一个趋势是向非常高的开关频率发展。这使得低成本和节省空间的电路成为可能。较低的电感和电容值导致更便宜的电感器和电容器在电源输出端具有相同的电压纹波。LTC3311 就是这种现代开关稳压器 IC 的一个例子。它是ADI静音开关平台的降压型开关稳压器。除了上述高开关频率（可在LTC33xx系列开关稳压器中扩展至10 MHz）的优势外，还存在实现非常快速控制环路的可能性。

快速控制环路意味着输出电压仅显示很小的电压偏差，即使动态负载变化也是如此。FPGA尤其要求电源电压不会超出狭窄的调节范围，即使在高负载瞬变的情况下也是如此。确保这一点的一种方法是添加大量高质量输出电容，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的创新是通过节省电容器成本来资助的。

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。第一步是在IC外壳中集成多个开关稳压器。这些产品通常被称为电源管理集成电路（PMIC）。它们可节省电路板空间，可作为大批量电源管理 ASIC 提供，也可作为目录产品作为常见应用的通用 PMIC 解决方案提供。ADP5014是一种常用的电源构建模块，例如用于FPGA。图4显示了一个电路，其中PMIC模块为FPGA供电。

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的示例。

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，只有输入和输出电容是外部的;电路的其余部分（包括电感）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，因此几乎每种应用都可以使用正确的模块。目前，大约有 200 种不同的电源模块可用。®

已经优化的μ模块特别适合满足复杂的电源要求。例如，LTM4700降压开关稳压器可提供高达100 A的输出电流。特殊的外壳可确保最佳的散热，因此即使在这些高电流下，也能保证可靠的运行。许多μModule的设计使得内置电感器作为外壳的一部分，像散热器一样将热量释放到环境空气中，因此电路板只需要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的创新使得构建不会过热、针对应用进行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，如模数转换器、模拟前端、微控制器和FPGA。所需电压在减少，而所需电流在增加。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力供应仍然具有很大的创新潜力，而商品化——即向成为一般商品的转变——是不可预见的。

审核编辑：郭婷