選擇合適的電源轉換器僅僅意味著(zhù)找到最便宜的器件嗎？事實(shí)證明，電源電壓轉換領(lǐng)域的創(chuàng )新是值得的，并且在市場(chǎng)上獲得了回報——因為這些解決方案帶來(lái)了更高質(zhì)量的產(chǎn)品。本文概述了一些利用低成本電源轉換器成功實(shí)現高質(zhì)量產(chǎn)品的應用實(shí)例。

幾乎所有電氣設備都會(huì )使用電源轉換器。多年來(lái)，人們針對不同的應用條件設計和調整電源轉換器。今天的制造商之間是否有差異化？

大約20年前，大多數應用正從線(xiàn)性穩壓器(LDO)過(guò)渡到效率更高的開(kāi)關(guān)穩壓器。這主要是通過(guò)開(kāi)發(fā)內置功率開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)穩壓器IC，以及大大便利此類(lèi)開(kāi)關(guān)穩壓器解決方案應用的簡(jiǎn)化設計來(lái)實(shí)現的。

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

簡(jiǎn)單電壓轉換即足夠的應用

當今肯定存在簡(jiǎn)單電壓轉換即足夠的應用。用于消費類(lèi)產(chǎn)品的非常便宜的開(kāi)關(guān)模式電源就是此類(lèi)應用。具有幾乎相同技術(shù)特性的電源轉換器廣泛存在。線(xiàn)性穩壓器的價(jià)格在幾歐分左右。簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)穩壓器也能以每個(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。

電壓轉換器市場(chǎng)的差異化

然而，對于大多數應用而言，電源領(lǐng)域將不再有創(chuàng )新的預測被證明是錯誤的。車(chē)上點(diǎn)煙器的USB充電適配器承諾提供最高2 A的充電電流，集成開(kāi)關(guān)模式電源轉換器將12 V轉換為5 V，可以很好地產(chǎn)生2 A電流。它使用標準開(kāi)關(guān)穩壓器來(lái)減少如此高功率下的熱損失。遺憾的是，當使用此USB適配器時(shí)，車(chē)載收音機便停止工作。轉換器的開(kāi)關(guān)頻率和開(kāi)關(guān)轉換的頻率引起了強輻射，使無(wú)線(xiàn)電接收變得不可能。選擇開(kāi)關(guān)穩壓器時(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)設備，短時(shí)間運行后就要更換電池。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。

適合大多數應用的高質(zhì)量創(chuàng )新

還要考慮到持續良率以及防止過(guò)多電子廢物，這也需要開(kāi)發(fā)更高質(zhì)量的電源產(chǎn)品。以下是一些非常成功的創(chuàng )新目標：

提高轉換效率
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能源是要花錢(qián)的。這筆錢(qián)是支付給電力公司，用于購買(mǎi)電池，還是為光伏系統制造太陽(yáng)能電池所導致的開(kāi)銷(xiāo)，無(wú)關(guān)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(guò)程中發(fā)生的能量損耗會(huì )導致另一個(gè)問(wèn)題：系統升溫。如果必須安裝額外的散熱器和風(fēng)扇，成本可能變得相當高。電子電路的可靠性和耐用性通常也嚴重依賴(lài)于工作溫度。

無(wú)論是極低功率（如能量收集或電池供電應用）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換的創(chuàng )新目標。20年前，85%的轉換效率對于開(kāi)關(guān)穩壓器來(lái)說(shuō)可能很不錯，但在今天的許多應用中，即使93%也不夠高�？雌饋�(lái)這種趨勢不會(huì )很快消失。100%的轉換效率似乎并不容易達到，但仍將是目標。100%效率的電壓轉換意味著(zhù)沒(méi)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“導通”狀態(tài)的開(kāi)關(guān)的電阻）和開(kāi)關(guān)的柵極電容。另外也可以提高開(kāi)關(guān)轉換的速度，這會(huì )降低開(kāi)關(guān)損耗。許多此類(lèi)改進(jìn)是由GaN和SiC等新型開(kāi)關(guān)技術(shù)提供的。

另一種選擇是降低無(wú)源元件（如電感和電容）的損耗。

除了這些明顯的調整之外，還有涉及開(kāi)關(guān)穩壓器拓撲結構的方法。LTC7821 混合轉換器就是一個(gè)例子。它將電荷泵與降壓轉換器相結合，在電源電壓轉換為較低電壓時(shí)可實(shí)現非常高的效率。對于48 V至12 V轉換，在20 A輸出電流和500 kHz開(kāi)關(guān)頻率的條件下，可以實(shí)現97.3%的轉換效率。使用標準商用硅MOSFET可產(chǎn)生240 W的輸出功率。圖1說(shuō)明了混合降壓轉換概念。損耗之所以如此之低，是因為電荷泵的工作效率極高，而且由于電源電壓已經(jīng)減半，下游降壓轉換器可以在最優(yōu)電壓范圍內工作。

圖1. 混合開(kāi)關(guān)穩壓器拓撲結構，用于在某些應用中實(shí)現特別高的轉換效率

​改善電磁兼容性
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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)。這是電路獲得批準的重要先決條件。開(kāi)關(guān)穩壓器總是會(huì )產(chǎn)生電磁輻射。輻射是每個(gè)開(kāi)關(guān)穩壓器都有的脈沖電流產(chǎn)生的，其大小取決于開(kāi)關(guān)頻率和開(kāi)關(guān)轉換的速度。所用電源中的輻射和傳導發(fā)射也可能引發(fā)電子設備中其他電路部分的功能問(wèn)題。因此，減少所產(chǎn)生的干擾非常重要。

推動(dòng)創(chuàng )新的動(dòng)力之一是以減少對額外濾波器的需求。開(kāi)關(guān)穩壓器的干擾越少，則附加濾波器和屏蔽元件的成本越低。因此，改進(jìn)的開(kāi)關(guān)穩壓器IC很受用戶(hù)歡迎。

過(guò)去幾年最大的創(chuàng )新之一是ADI公司的Silent Switcher®概念。它通過(guò)各種技巧，例如平衡對稱(chēng)脈沖電流和去除鍵合線(xiàn)，顯著(zhù)降低了開(kāi)關(guān)穩壓器電路的輻射發(fā)射。此概念如圖2所示。該創(chuàng )新可配合各種開(kāi)關(guān)穩壓器拓撲使用。圖2顯示了降壓轉換器拓撲的脈沖電流和所產(chǎn)生的磁場(chǎng)。磁場(chǎng)分為兩部分，由于對稱(chēng)排列，它們方向相反，在很大程度上彼此抵消。

圖2. 降壓開(kāi)關(guān)穩壓器中的脈沖電流，Silent Switcher技術(shù)使所產(chǎn)生的脈沖磁場(chǎng)相互抵消

EMC仿真
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在經(jīng)過(guò)認證的測試實(shí)驗室進(jìn)行EMI測量的成本很高。修改已經(jīng)開(kāi)發(fā)好的硬件也很昂貴。因此，電壓轉換電路設計的另一個(gè)重要支柱是使用ADI LTpowerCAD®等工具進(jìn)行EMC優(yōu)化。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中使用仿真工具實(shí)現EMC優(yōu)化具有巨大的潛力。圖3顯示了作為L(cháng)TpowerCAD開(kāi)發(fā)環(huán)境一部分的EMI濾波器設計器。利用此工具可以計算開(kāi)關(guān)穩壓器的傳導發(fā)射，如果干擾太高，可以設計濾波器來(lái)提供補救措施。

圖3. LTpowerCAD工具，用于簡(jiǎn)單計算開(kāi)關(guān)穩壓器電路中的傳導發(fā)射

高開(kāi)關(guān)頻率和快速控制環(huán)路
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電源的另一個(gè)趨勢是開(kāi)關(guān)頻率越來(lái)越高，這使得低成本且節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 就是這種現代開(kāi)關(guān)穩壓器IC的一個(gè)例子。它是基于A(yíng)DI Silent Switcher平臺的降壓開(kāi)關(guān)穩壓器。對于高開(kāi)關(guān)頻率（ LTC33xx 開(kāi)關(guān) 穩壓器系列可擴展到10 MHz），除了上述優(yōu)勢外，還存在實(shí)現非�？焖倏刂骗h(huán)路的可能性。

快速控制環(huán)路意味著(zhù)即使動(dòng)態(tài)負載發(fā)生變化，輸出電壓也僅表現出很小的電壓偏差。尤其是FPGA，它要求即使在高負載瞬變情況下，電源電壓也不能超出一個(gè)很窄的調節范圍。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(kāi)關(guān)頻率的開(kāi)關(guān)穩壓器IC，從而獲得高控制環(huán)路帶寬。電容成本的節省為開(kāi)關(guān)穩壓器IC創(chuàng )新提供了資金。

更高的集成度和易用性
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正在出現大量創(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(kāi)關(guān)穩壓器集成到一個(gè)IC外殼中，這些產(chǎn)品通常被稱(chēng)為電源管理集成電路(PMIC)。它們節省了電路板空間，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(jiàn)應用的通用PMIC解決方案。ADP5014 是一款受歡迎的電源構建模塊——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(kāi)關(guān)穩壓器

除高度集成外，模塊還非常易于使用。模塊幾乎將整個(gè)開(kāi)關(guān)穩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(hù)不再需要選擇外部無(wú)源元件。模塊可以簡(jiǎn)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(mǎn)足復雜的電源要求。例如， LTM4700 降壓開(kāi)關(guān)穩壓器可提供高達100 A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，也能保證可靠運行。許多µModule采用特別設計，使得作為外殼一部分的內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(lái)自電源的少量額外熱量。這大大簡(jiǎn)化了大功率電源的設計。

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

預期電源領(lǐng)域會(huì )有更多創(chuàng )新

隨著(zhù)模數轉換器、模擬前端、微控制器和FPGA等電氣負載的發(fā)展，對電源的要求在不斷變化和調整。需要的電壓正在降低，而需要的電流卻在增加。因此，標準開(kāi)關(guān)穩壓器將不再能夠滿(mǎn)足未來(lái)的需求，這一發(fā)現可以解釋為什么電源仍有很大的創(chuàng )新潛力。