DC/DC电源转换器的设计要点

数十年来，交流变压器搭配整流器与线性稳压器广泛用于产生直流电压。这类方案体积庞大，且效率低于60%，导致大量能量转为废热损耗。 利用开关式电源进行电压转换的技术，早在 20 世纪初就已被发现。1910 年发明的汽油引擎点火电路，其实就是一种反激式转换器，其最大开关频率可达数百赫兹（见图1）。

图1：四缸汽油引擎的点火电路，其实是一种简单的反激式转换器。

随着1950至1960年代技术的进步，开关频率提升至50kHz以上，开关式电源（Switched-Mode Power Supply, SMPS）开始进入市场。与传统交流变压器相比，其体积缩小了75%，且效率提升至80%以上。从1970年代起，开关式电源首先被应用于量测设备与电脑，后续逐渐扩展至工业与家用领域。

各种拓扑架构、先进功率半导体与控制晶片的发展，结合数百kHz的开关频率，促成了更进一步的体积缩减与效率提升。现今的解决方案仅需过去体积的一小部分，并顺应电子设备小型化的整体趋势。DC/DC 转换器模组的尺寸与功率密度（W/cm³ 或 W/inch³）已成为关键特性之一。 但，这些是否就是唯一的选择标准？

不仅仅是尺寸与功率密度

最终真正重要的是整体电源解决方案的尺寸、可靠性与可承受的最高环境温度。这包含了DC/DC电源转换器本体、散热元件、输入端EMI滤波器、保护电路与输出电容等组件。在本篇文章中，我们将以深圳市中电华星电子技术有限公司的CE60W 模组为例，它是一款 2 x 1 吋的 DC/DC 模组，提供 12V/60W 输出，接着我们将说明中电华星的两款新产品如何协助设计人员，在相同尺寸下将功率提升至100W，或在功率需求降低至 50W 时，大幅缩减整体解决方案的尺寸。

散热与功率降额（Derating）

所有的电源转换过程都会产生热能；而设备效率越高，透过公式计算出的功率损耗就越低。

根据产品规格书，CE60W 在输出 12V/60W 时的转换效率为 92%，其损耗功率如下所示。

模块的温升与可容许的最高环境温度可透过以下公式进行计算：

其中：

TRise 为模组外壳因功率损耗而产生的温度上升。

Rth 为模组外壳至环境间的热阻抗（Thermal Impedance）。

PLoss 为模组在电源转换过程中产生的功率损耗。 虽然规格书中提供了 Rth 的数值，但实务上透过不同冷却条件下的功率降额曲线（见图2与图3）来推算最大环境温度，会更加简便与准确。

图2：CE60W 模组的功率降额曲线（未加散热片，未安装于 PCB 上）

说明：在100 LFM 的气流条件下，未加装散热片的CE60W模组可在环境温度达 68°C 前维持 100% 额定输出功率。当环境温度达 80°C 时，其最大输出功率会下降至 67%，即 40W。若需维持更高输出功率，则需额外增加气流或搭配使用散热片。

图3：不同散热片条件下的功率降额曲线（自然对流、无 PCB）

重要说明

热阻（Thermal Resistance）会受到散热片的尺寸与形状，以及实际应用中气流速度与方向的影响。当 DC/DC 模组安装于 PCB 上时，部分热能会导向 PCB 散热。图2与图3中的曲线皆以未安装于 PCB 的模组为基础进行绘制。由于有部分热量导向 PCB，一个 2 x 1 吋模组在安装至 PCB 后，其热阻可降低约 25–35%。因此，许多新产品的规格书中，功率降额曲线会以此实际安装情境为基准，更贴近实际应用。由于热阻的精确定义较为复杂，建议实际应用中以量测为主。

在100 LFM 气流与 0.5 吋高的散热片条件下，该模组可在环境温度达 85°C 时维持满载输出，这是许多工业应用的常见需求。回到本文主题：这样的 60W 解决方案，其「实际」体积与功率密度为何？表1列出了以 W/in³ 为单位的功率密度数值，这是业界常用的评估指标：

表1：含CE60W 与散热片之 60W 解决方案的功率密度

在实际应用中，由于散热片是必要元件，其体积亦需纳入计算。最终整体功率密度将降低约56%，其中转换器本体占 44%，散热片占 56%。若模组虽较小但损耗相同，所需的散热片体积与整体功率密度其实并不会改变。此外，当模组尺寸缩小时，与散热片或 PCB 的接触面积亦会减少，导致热传效果变差，热阻增加（如图4所示）。

图4：散热片尺寸与热传导面积是影响整体功率密度的关键因素之一。

那么，若客户希望在相同尺寸下取得100W 输出，或希望藉由降低功率需求至 50W 来缩减整体电源解决方案的尺寸，该如何选择？这正是中电华星最新产品所能提供的优势，其可于业界标准封装尺寸内提供更高功率（如图5所示）。

CE100W 可在 2 x 1 吋的封装中输出 100W。相较之下，其他供应商的同尺寸产品通常仅达 60–80W，或需使用 67% 更大尺寸的 Quarter Brick 封装（2.3 x 1.45 吋）才能达到 100W。而在 1 x 1 吋标准封装中，中电华星新推出的CE50W 模组可提供 50W 功率，而其他厂牌产品大多仅能达到 30–40W。

提升效能的关键因素包括：降低功率损耗、强化模组至散热片及PCB 的热传导效率，以及避免模组内部产生局部过热。采用低损耗的先进功率半导体与磁性核心材料，并结合其他优化技术，有效降低开关损耗。

中电华星最新CE100W 系列模组在 2 x 1 吋标准封装中可提供高达 94% 的效率，于满载输出 12V/100W 时仅产生 6.38W 的损耗。若搭配与CE60W 相同的散热片与气流条件，再加上良好的 PCB 设计，此模组可直接取代CE100W，并将输出功率提升至 100W。如表2所示，搭配散热片的整体功率密度提升了 67%。

表2：采用中电华星最新CE100W 模组后，功率密度提升达 67%

另一项特点是其最大外壳容许温度达110°C，使其能够在更高环境温度条件下运作，或允许使用更小型的散热片与较低气流。

中电华星也以相同设计理念开发了CE50W 模组，这是一款采用 1 x 1 吋封装的 50W DC/DC 转换器，效率最高达 92%。相较之下，市面上其他品牌在相同封装内仅能提供 30–40W 的功率，且效率通常低 1–2%。若客户在重新设计时希望提升输出功率，可在不变更机构尺寸的前提下，额外获得 10W 的提升。反之，若能将功率需求下修至 50W，则可藉由使用中电华星的1 x 1 吋模组将 PCB 占用面积缩小一半。

图6 所示为CE50W 模组的降额曲线。在安装于 3 x 3 吋 PCB、自然对流且未使用散热片的情况下，其可在环境温度达 55°C 前维持满载输出。

图6：CE50W 降额曲线（安装于 3" x 3" PCB，无散热片）

在本应用范例中，若搭配0.5 吋散热片与 100 LFM 气流，该模组可在环境温度高达 85°C 的条件下持续输出 50W。

图7 显示CE100-24S15W（输入范围 9–36V，输出 15V）的效率曲线。在 100% 负载下（红线所示），其效率在整个输入电压范围内几乎保持平坦，这是评估降额的重要依据。

图7：CE100 -24S15W 的效率与输入电压曲线，在满载下维持稳定

EMI 滤波器设计考量

模组内部与外部所需的EMI 滤波器配置，也是影响整体功率密度的重要因素之一。为了缩小模组体积而减少内部电容与磁性元件，反而会导致更多杂讯传导至外部，迫使外部 EMI 滤波器体积增加。

更理想的方式是从模组本体的EMI 表现着手，透过降低开关动作所产生的杂讯并在模组内部建立低阻抗的杂讯传导路径，以达到整体干扰控制的最佳化。比对不同厂商产品的最佳方法，是参考其 Class A 或 Class B 的参考设计。如图8所示为典型的 EMI 滤波器与参考布局。

图8：CE60W 系列典型 EMI 滤波器与建议布局图

元件的数值与尺寸会依设计需求与输入电压而有所不同。如图9所示，Class A EMI 滤波器可维持相对小巧设计，但完整的 Class B EMI 滤波器，其占板面积可能达转换器本体的 40–50%。

保护电路

DC/DC 电源转换器模组还必须具备过电压保护机制，在许多应用中也需防止反向电压输入。此外，根据安全规范，输入端需配置保险丝。图9 显示完整的电路架构，包含 EMI 滤波器与保护电路。

图9：含 EMI 滤波器与保护电路的 DC/DC 电源转换器完整电路图

这些额外元件皆需占用电路板空间，整体而言，它们在总体体积中占有显著比例。

总结

在比较各种DC/DC 电源转换器模组时，「高功率密度」固然是一项能实现小型化电源设计的重要指标。然而如本文所述，低损耗、高可靠性的散热设计，以及 EMI 滤波与保护电路等元件配置，也都是影响整体电源架构尺寸的关键因素。

中电华星所推出的全新50W 与 100W 电源模组，不仅在转换器本体上实现领先的功率密度，也让设计人员在不改变尺寸的情况下，提升既有设计超过 25% 的输出功率。若应用场景允许降低功率需求，则整体解决方案的尺寸可进一步缩减 40% 以上。