【導讀】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新是值得的，並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高質量產品的應用實例。

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新是值得的
，並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。今天的製造商之間是否有差異化？

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

大約20年前
，我開始在電源半導體領域工作，當時電源行業的很大一部分應用正在經曆一場劇變。大多數應用正從線性穩壓器(LDO)過渡到效率更高的開關穩壓器。這主要是通過開發內置功率開關的開關穩壓器IC，以及大大便利此類開關穩壓器解決方案應用的簡化設計來實現的。淩力爾特公司（現為ADI公司的一部分）在實現這一根本性變革中發揮了重要作用。

在那段重要時期之後，人們經常聽到這樣的說法——電源業務再也無法產生重大創新，進一步的發展隻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(dang)今(jin)肯(ken)定(ding)存(cun)在(zai)簡(jian)單(dan)電(dian)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)即(ji)足(zu)夠(gou)的(de)應(ying)用(yong)。用(yong)於(yu)消(xiao)費(fei)類(lei)產(chan)品(pin)的(de)非(fei)常(chang)便(bian)宜(yi)的(de)開(kai)關(guan)模(mo)式(shi)電(dian)源(yuan)就(jiu)是(shi)此(ci)類(lei)應(ying)用(yong)。具(ju)有(you)幾(ji)乎(hu)相(xiang)同(tong)技(ji)術(shu)特(te)性(xing)的(de)電(dian)源(yuan)轉(zhuan)換(huan)器(qi)廣(guang)泛(fan)存(cun)在(zai)。線(xian)性(xing)穩(wen)壓(ya)器(qi)的(de)價(jia)格(ge)在(zai)幾(ji)歐(ou)分(fen)左(zuo)右(you)。簡(jian)單(dan)的(de)開(kai)關(guan)穩(wen)壓(ya)器(qi)也(ye)能(neng)以(yi)每(mei)個(ge)幾(ji)美(mei)分(fen)的(de)價(jia)格(ge)獲(huo)得(de)

，但(dan)其(qi)具(ju)有(you)明(ming)顯(xian)的(de)優(you)勢(shi)，例(li)如(ru)更(geng)高(gao)的(de)效(xiao)率(lv)和(he)更(geng)大(da)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)。

電壓轉換器市場的差異化

然(ran)而(er)
，對(dui)於(yu)大(da)多(duo)數(shu)應(ying)用(yong)而(er)言(yan)，電(dian)源(yuan)領(ling)域(yu)將(jiang)不(bu)再(zai)有(you)創(chuang)新(xin)的(de)預(yu)測(ce)被(bei)證(zheng)明(ming)是(shi)錯(cuo)誤(wu)的(de)。即(ji)使(shi)在(zai)贈(zeng)品(pin)等(deng)廉(lian)價(jia)促(cu)銷(xiao)品(pin)中(zhong)，電(dian)源(yuan)轉(zhuan)換(huan)質(zhi)量(liang)也(ye)起(qi)著(zhe)決(jue)定(ding)性(xing)作(zuo)用(yong)。這(zhe)可(ke)以(yi)用(yong)我(wo)已(yi)使(shi)用(yong)多(duo)年(nian)的(de)一(yi)件(jian)促(cu)銷(xiao)禮(li)物(wu)來(lai)說(shuo)明(ming)：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shi配pei器qi時shi
，車che載zai收shou音yin機ji便bian停ting止zhi工gong作zuo。轉zhuan換huan器qi的de開kai關guan頻pin率lv和he開kai關guan轉zhuan換huan的de頻pin率lv引yin起qi了le強qiang輻fu射she，使shi無wu線xian電dian接jie收shou變bian得de不bu可ke能neng。選xuan擇ze開kai關guan穩wen壓ya器qi時shi
，注zhu意yi的de是shi價jia格ge，而er不bu是shi確que保bao低di電dian磁ci輻fu射she。

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

適合大多數應用的高質量創新

還(hai)要(yao)考(kao)慮(lv)到(dao)持(chi)續(xu)良(liang)率(lv)以(yi)及(ji)防(fang)止(zhi)過(guo)多(duo)電(dian)子(zi)廢(fei)料(liao)，這(zhe)也(ye)需(xu)要(yao)開(kai)發(fa)更(geng)高(gao)質(zhi)量(liang)的(de)電(dian)源(yuan)產(chan)品(pin)。因(yin)此(ci)，在(zai)大(da)多(duo)數(shu)應(ying)用(yong)中(zhong)，穩(wen)壓(ya)器(qi)並(bing)未(wei)成(cheng)為(wei)大(da)宗(zong)商(shang)品(pin)。以(yi)下(xia)是(shi)一(yi)些(xie)非(fei)常(chang)成(cheng)功(gong)的(de)創(chuang)新(xin)目(mu)標(biao)。

提高轉換效率

能(neng)源(yuan)是(shi)要(yao)花(hua)錢(qian)的(de)。這(zhe)筆(bi)錢(qian)是(shi)支(zhi)付(fu)給(gei)電(dian)力(li)公(gong)司(si)，用(yong)於(yu)購(gou)買(mai)電(dian)池(chi)
，還(hai)是(shi)為(wei)光(guang)伏(fu)係(xi)統(tong)製(zhi)造(zao)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)所(suo)導(dao)致(zhi)的(de)開(kai)銷(xiao)
，無(wu)關(guan)緊(jin)要(yao)。因(yin)此(ci)，對(dui)於(yu)所(suo)有(you)電(dian)源(yuan)，轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率(lv)都(dou)很(hen)重(zhong)要(yao)。在(zai)某(mou)些(xie)情(qing)況(kuang)下(xia)
，它(ta)甚(shen)至(zhi)是(shi)決(jue)定(ding)性(xing)的(de)。

電壓轉換過程中發生的能量損耗會導致另一個問題：係統升溫。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於工作溫度。

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範圍的電源單元），提高效率基本上是所有功率轉換的創新目標。20年前，85%的轉換效率對於開關穩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%的轉換效率似乎並不容易達到，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，可以進行許多創新。創新之一是可以降低RDS(ON)（即處於“導通”狀態的開關的電阻）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非常高的效率。對於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97.3%的轉換效率。使用標準商用矽MOSFET可產生240W的輸出功率。圖1說(shuo)明(ming)了(le)混(hun)合(he)降(jiang)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)概(gai)念(nian)。損(sun)耗(hao)之(zhi)所(suo)以(yi)如(ru)此(ci)之(zhi)低(di)，是(shi)因(yin)為(wei)電(dian)荷(he)泵(beng)的(de)工(gong)作(zuo)效(xiao)率(lv)極(ji)高(gao)，而(er)且(qie)由(you)於(yu)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)已(yi)經(jing)減(jian)半(ban)，下(xia)遊(you)降(jiang)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)器(qi)可(ke)以(yi)在(zai)最(zui)優(you)電(dian)壓(ya)範(fan)圍(wei)內(nei)工(gong)作(zuo)。

圖1.混合開關穩壓器拓撲結構，用於在某些應用中實現特別高的轉換效率

改善電磁兼容性

正在進行重要創新的第二個領域是電磁兼容性(EMC)。zheshidianluhuodepizhundezhongyaoxianjuetiaojian。kaiguanwenyaqizongshihuichanshengdiancifushe。fusheshimeigekaiguanwenyaqidouyoudemaichongdianliuchanshengde，qidaxiaoqujueyukaiguanpinlvhekaiguanzhuanhuandesudu。suoyongdianyuanzhongdefushehechuandaofasheyekenengyinfadianzishebeizhongqitadianlubufendegongnengwenti。yinci，jianshaosuochanshengdeganraofeichangzhongyao。

推tui動dong創chuang新xin的de動dong力li之zhi一yi是shi以yi減jian少shao對dui額e外wai濾lv波bo器qi的de需xu求qiu。開kai關guan穩wen壓ya器qi的de幹gan擾rao越yue少shao，則ze附fu加jia濾lv波bo器qi和he屏ping蔽bi元yuan件jian的de成cheng本ben越yue低di。因yin此ci，改gai進jin的de開kai關guan穩wen壓ya器qiIC很受用戶歡迎。

過去幾年最大的創新之一是ADI的Silent Switcher®概念。它通過各種技巧
，例如平衡對稱脈衝電流和去除鍵合線，顯著降低了開關穩壓器電路的輻射發射。此概念如圖2所示。該創新可配合各種開關穩壓器拓撲使用。圖2顯示了降壓轉換器拓撲的脈衝電流和所產生的磁場。磁場分為兩部分，由於對稱排列，它們方向相反，在很大程度上彼此抵消。

圖2.降壓開關穩壓器中的脈衝電流，Silent Switcher技術使所產生的脈衝磁場相互抵消

EMC仿真

在經過認證的測試實驗室進行EMI測量的成本很高。修改已經開發好的硬件也很昂貴。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優化。在開發過程中使用仿真工具實現EMC優化具有巨大的潛力。圖3顯示了作為LTpowerCAD開發環境一部分的EMI濾波器設計器。利用此工具可以計算開關穩壓器的傳導發射
，如果幹擾太高，可以設計濾波器來提供補救措施。

高開關頻率和快速控製環路

電dian源yuan的de另ling一yi個ge趨qu勢shi是shi開kai關guan頻pin率lv越yue來lai越yue高gao，這zhe使shi得de低di成cheng本ben且qie節jie省sheng空kong間jian的de電dian路lu成cheng為wei可ke能neng。在zai電dian源yuan輸shu出chu端duan的de電dian壓ya紋wen波bo相xiang同tong的de情qing況kuang下xia，使shi用yong較jiao低di的de電dian感gan和he電dian容rong值zhi可ke以yi降jiang低di電dian感gan和he電dian容rong的de成cheng本ben。LTC3311就是這種現代開關穩壓器IC的一個例子。它是基於ADI Silent Switcher平台的降壓開關穩壓器。對於高開關頻率（LTC33xx開關穩壓器係列可擴展到10MHz），除了上述優勢外，還存在實現非常快速控製環路的可能性。

快速控製環路意味著即使動態負載發生變化，輸出電壓也僅表現出很小的電壓偏差。尤其是FPGA
，它ta要yao求qiu即ji使shi在zai高gao負fu載zai瞬shun變bian情qing況kuang下xia，電dian源yuan電dian壓ya也ye不bu能neng超chao出chu一yi個ge很hen窄zhai的de調tiao節jie範fan圍wei。確que保bao這zhe一yi點dian的de方fang法fa之zhi一yi是shi添tian加jia大da量liang高gao質zhi量liang輸shu出chu電dian容rong


，而er更geng優you雅ya且qie更geng便bian宜yi的de方fang法fa是shi使shi用yong高gao開kai關guan頻pin率lv的de開kai關guan穩wen壓ya器qiIC，從而獲得高控製環路帶寬。

電容成本的節省為開關穩壓器IC創新提供了資金。

圖3.LTpowerCAD工具
，用於簡單計算開關穩壓器電路中的傳導發射

更高的集成度和易用性

正在出現大量創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，用於FPGA。 圖4顯示了一個使用這種PMIC模塊為FPGA供電的電路。

圖4.作為範例，ADP5014是一款提供四個不同輸出電壓的高集成度開關穩壓器

除(chu)高(gao)度(du)集(ji)成(cheng)外(wai)，模(mo)塊(kuai)還(hai)非(fei)常(chang)易(yi)於(yu)使(shi)用(yong)。模(mo)塊(kuai)幾(ji)乎(hu)將(jiang)整(zheng)個(ge)開(kai)關(guan)穩(wen)壓(ya)器(qi)電(dian)路(lu)集(ji)成(cheng)在(zai)一(yi)個(ge)外(wai)殼(ke)中(zhong)。通(tong)常(chang)，隻(zhi)有(you)輸(shu)入(ru)和(he)輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)是(shi)外(wai)接(jie)的(de)，電(dian)路(lu)其(qi)餘(yu)部(bu)分(fen)（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。

已經優化的µModule特別適合於滿足複雜的電源要求。例如
，LTM4700 降壓開關穩壓器可提供高達100A的輸出電流。特殊外殼確保散熱最優，因此即使在這種高電流情況下
，也能保證可靠運行。 許多µModulecaiyongtebiesheji，shidezuoweiwaikeyibufendeneizhidianganxiangsanreqiyiyangjiangreliangshifangdaohuanjingkongqizhong
，yincidianlubanzhixuxishoulaizidianyuandeshaoliangewaireliang。zhedadajianhualedagonglvdianyuandesheji。

µModule創新使得構建不會過熱、zhenduiyingyongjinxingyouhuaqieyiyushiyongdexiaoxingdianluchengweikeneng。suoyouzhexiedounengjieshengzijin
，shigaichanpinzuzaizhongduoyingyonglingyuzhongfeichangshouhuanying。jinyibuchuangxindeqianlirengranhenda。

預期電源領域會有更多創新

隨著模數轉換器、模擬前端、微控製器和FPGA等deng電dian氣qi負fu載zai的de發fa展zhan
，對dui電dian源yuan的de要yao求qiu在zai不bu斷duan變bian化hua和he調tiao整zheng。需xu要yao的de電dian壓ya正zheng在zai降jiang低di
，而er需xu要yao的de電dian流liu卻que在zai增zeng加jia。因yin此ci
，標biao準zhun開kai關guan穩wen壓ya器qi將jiang不bu再zai能neng夠gou滿man足zu未wei來lai的de需xu求qiu。這zhe一yi發fa現xian可ke以yi解jie釋shi為wei什shen麼me電dian源yuan仍reng有you很hen大da的de創chuang新xin潛qian力li
，以yi及ji為wei何he在zai可ke預yu見jian的de將jiang來lai，它ta不bu會hui轉zhuan而er成cheng為wei“大宗商品”。

（來源：ADI公司，作者：Frederik Dostal）

免責聲明：本文為轉載文章
，轉載此文目的在於傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片
、文字如涉及作品版權問題，請聯係小編進行處理。

推薦閱讀：

電源管理芯片TMI3191直擊智能穿戴電源痛點！

基於深度學習的地震波逆時偏移補償方法

三極管和MOS管下拉電阻的作用

【坐享“騎”成】係列之四：泰克方案化解智能座艙HDMI顯示接口測試難點

雙柵結構 SiC FETs 在電路保護中的應用