作者：ADI現(xiàn)場應用工程師Frederik Dostal

選擇合適的電源轉換器僅僅意味著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，并且在市場上獲得了回報——因為這些解決方案帶來了更高質量的產品。ADI將在本文概述一些利用低成本電源轉換器成功實現(xiàn)高質量產品的應用實例。

幾乎所有電氣設備都會使用電源轉換器。多年來，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？

(相關資料圖)

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

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

在那段重要時期之后，人們經(jīng)常聽到這樣的說法——電源業(yè)務再也無法產生重大創(chuàng)新，進一步的發(fā)展只會朝著一個方向前進：降低成本。

簡單電壓轉換即足夠的應用

當今肯定存在簡單電壓轉換即足夠的應用。用于消費類產品的非常便宜的開關模式電源就是此類應用。具有幾乎相同技術特性的電源轉換器廣泛存在。線性穩(wěn)壓器的價格在幾歐分左右。簡單的開關穩(wěn)壓器也能以每個幾美分的價格獲得，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。

電壓轉換器市場的差異化

然而，對于大多數(shù)應用而言，電源領域將不再有創(chuàng)新的預測被證明是錯誤的。即使在贈品等廉價促銷品中，電源轉換質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。集成開關模式電源轉換器將12V轉換為5V，可以很好地產生2A電流。它使用標準開關穩(wěn)壓器來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，車載收音機便停止工作。轉換器的開關頻率和開關轉換的頻率引起了強輻射，使無線電接收變得不可能。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。

另一個例子是帶紐扣電池的廉價設備，短時間運行后就要更換電池。在這里，最終產品的質量同樣直接取決于電源的質量。

適合大多數(shù)應用的高質量創(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)更高質量的電源產品。因此，在大多數(shù)應用中，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。

提高轉換效率

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致的開銷，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)生的能量損耗會導致另一個問題：系統(tǒng)升溫。如果必須安裝額外的散熱器和風扇，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于工作溫度。?

無論是極低功率（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%的轉換效率對于開關穩(wěn)壓器來說可能很不錯，但在今天的許多應用中，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沒有任何損失。?

為了提高效率，可以進行許多創(chuàng)新。創(chuàng)新之一是可以降低RDS(ON)（即處于“導通”狀態(tài)的開關的電阻）和開關的柵極電容。另外也可以提高開關轉換的速度，這會降低開關損耗。許多此類改進是由GaN和SiC等新型開關技術提供的。?

另一種選擇是降低無源元件（如電感和電容）的損耗。

除了這些明顯的調整之外，還有涉及開關穩(wěn)壓器拓撲結構的方法。LTC7821混合轉換器就是一個例子。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可實現(xiàn)非常高的效率。對于48V至12V轉換，在20A輸出電流和500kHz開關頻率的條件下，可以實現(xiàn)97.3%的轉換效率。使用標準商用硅MOSFET可產生240W的輸出功率。圖1說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.混合開關穩(wěn)壓器拓撲結構，用于在某些應用中實現(xiàn)特別高的轉換效率

改善電磁兼容性

正在進行重要創(chuàng)新的第二個領域是電磁兼容性(EMC)。這是電路獲得批準的重要先決條件。開關穩(wěn)壓器總是會產生電磁輻射。輻射是每個開關穩(wěn)壓器都有的脈沖電流產生的，其大小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)射也可能引發(fā)電子設備中其他電路部分的功能問題。因此，減少所產生的干擾非常重要。

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，改進的開關穩(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)新可配合各種開關穩(wěn)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.降壓開關穩(wěn)壓器中的脈沖電流，Silent Switcher技術使所產生的脈沖磁場相互抵消

EMC仿真

在經(jīng)過認證的測試實驗室進行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，電壓轉換電路設計的另一個重要支柱是使用ADI LTpowerCAD^?等工具進行EMC優(yōu)化。在開發(fā)過程中使用仿真工具實現(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濾波器設計器。利用此工具可以計算開關穩(wěn)壓器的傳導發(fā)射，如果干擾太高，可以設計濾波器來提供補救措施。

高開關頻率和快速控制環(huán)路

電源的另一個趨勢是開關頻率越來越高，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)代開關穩(wěn)壓器IC的一個例子。它是基于ADI Silent Switcher平臺的降壓開關穩(wěn)壓器。對于高開關頻率（LTC33xx開關穩(wěn)壓器系列可擴展到10MHz），除了上述優(yōu)勢外，還存在實現(xiàn)非常快速控制環(huán)路的可能性。

快速控制環(huán)路意味著即使動態(tài)負載發(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，它要求即使在高負載瞬變情況下，電源電壓也不能超出一個很窄的調節(jié)范圍。確保這一點的方法之一是添加大量高質量輸出電容，而更優(yōu)雅且更便宜的方法是使用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。?

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

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

更高的集成度和易用性

正在出現(xiàn)大量創(chuàng)新的第四個領域是高集成度的完整電源電路。第一步是將多個開關穩(wěn)壓器集成到一個IC外殼中。這些產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，或作為目錄產品提供，用作常見應用的通用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是一款提供四個不同輸出電壓的高集成度開關穩(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特別適合于滿足復雜的電源要求。例如，LTM4700 降壓開關穩(wěn)壓器可提供高達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。所有這些都能節(jié)省資金，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。

預期電源領域會有更多創(chuàng)新

隨著模數(shù)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，標準開關穩(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，以及為何在可預見的將來，它不會轉而成為“大宗商品”。

關于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力于在現(xiàn)實世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實現(xiàn)智能邊緣領域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結合模擬、數(shù)字和軟件技術的解決方案，推動數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領域的持續(xù)發(fā)展，應對氣候變化挑戰(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，請訪問www.analog.com/cn。

關于作者

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

關鍵詞： 電源轉換器 轉換效率 大宗商品 脈沖電流 電源電壓