選擇合適的電源轉(zhuǎn)換器僅僅意味著找到最便宜的器件嗎,？事實(shí)證明,，電源電壓轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的創(chuàng)新是值得的,，并且在市場上獲得了回報(bào)——因?yàn)檫@些解決方案帶來了更高質(zhì)量的產(chǎn)品,。ADI將在本文概述一些利用低成本電源轉(zhuǎn)換器成功實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量產(chǎn)品的應(yīng)用實(shí)例,。

　　幾乎所有電氣設(shè)備都會使用電源轉(zhuǎn)換器,。多年來,，人們針對不同的應(yīng)用條件設(shè)計(jì)和調(diào)整電源轉(zhuǎn)換器,。今天的制造商之間是否有差異化,？

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

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

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

　　簡單電壓轉(zhuǎn)換即足夠的應(yīng)用

　　當(dāng)今肯定存在簡單電壓轉(zhuǎn)換即足夠的應(yīng)用。用于消費(fèi)類產(chǎn)品的非常便宜的開關(guān)模式電源就是此類應(yīng)用,。具有幾乎相同技術(shù)特性的電源轉(zhuǎn)換器廣泛存在,。線性穩(wěn)壓器的價(jià)格在幾歐分左右。簡單的開關(guān)穩(wěn)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(zhuǎn)換器市場的差異化

　　然而,，對于大多數(shù)應(yīng)用而言,，電源領(lǐng)域?qū)⒉辉儆袆?chuàng)新的預(yù)測被證明是錯(cuò)誤的。即使在贈品等廉價(jià)促銷品中,，電源轉(zhuǎn)換質(zhì)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(diǎn)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(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器將12V轉(zhuǎn)換為5V,，可以很好地產(chǎn)生2A電流。它使用標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)穩(wěn)壓器來減少如此高功率下的熱損失,。遺憾的是,，當(dāng)使用此USB適配器時(shí)，車載收音機(jī)便停止工作,。轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率和開關(guān)轉(zhuǎn)換的頻率引起了強(qiáng)輻射,，使無線電接收變得不可能。選擇開關(guān)穩(wěn)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(shè)備,，短時(shí)間運(yùn)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(shù)應(yīng)用的高質(zhì)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(zhì)量的電源產(chǎn)品,。因此,，在大多數(shù)應(yīng)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(biāo),。

　　提高轉(zhuǎn)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(dǎo)致的開銷,，無關(guān)緊要。因此,，對于所有電源,，轉(zhuǎn)換效率都很重要。在某些情況下,，它甚至是決定性的,。

　　電壓轉(zhuǎn)換過程中發(fā)生的能量損耗會導(dǎo)致另一個(gè)問題：系統(tǒng)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(dāng)高,。電子電路的可靠性和耐用性通常也嚴(yán)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(yīng)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(zhuǎn)換的創(chuàng)新目標(biāo),。20年前，85%的轉(zhuǎn)換效率對于開關(guān)穩(wěn)壓器來說可能很不錯(cuò),，但在今天的許多應(yīng)用中,，即使93%也不夠高?？雌饋磉@種趨勢不會很快消失,。100%的轉(zhuǎn)換效率似乎并不容易達(dá)到，但仍將是目標(biāo),。100%效率的電壓轉(zhuǎn)換意味著沒有任何損失,。

　　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(dǎo)通”狀態(tài)的開關(guān)的電阻）和開關(guān)的柵極電容,。另外也可以提高開關(guān)轉(zhuǎn)換的速度，這會降低開關(guān)損耗,。許多此類改進(jìn)是由GaN和SiC等新型開關(guān)技術(shù)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(diào)整之外,，還有涉及開關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方法,。LTC7821混合轉(zhuǎn)換器就是一個(gè)例子。它將電荷泵與降壓轉(zhuǎn)換器相結(jié)合,，在電源電壓轉(zhuǎn)換為較低電壓時(shí)可實(shí)現(xiàn)非常高的效率,。對于48V至12V轉(zhuǎn)換,，在20A輸出電流和500kHz開關(guān)頻率的條件下，可以實(shí)現(xiàn)97.3%的轉(zhuǎn)換效率,。使用標(biāo)準(zhǔn)商用硅MOSFET可產(chǎn)生240W的輸出功率,。圖1說明了混合降壓轉(zhuǎn)換概念。損耗之所以如此之低,，是因?yàn)殡姾杀玫墓ぷ餍蕵O高,，而且由于電源電壓已經(jīng)減半，下游降壓轉(zhuǎn)換器可以在最優(yōu)電壓范圍內(nèi)工作,。

　　圖1.混合開關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，用于在某些應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)特別高的轉(zhuǎn)換效率

　　改善電磁兼容性

　　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(zhǔn)的重要先決條件,。開關(guān)穩(wěn)壓器總是會產(chǎn)生電磁輻射,。輻射是每個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器都有的脈沖電流產(chǎn)生的，其大小取決于開關(guān)頻率和開關(guān)轉(zhuǎn)換的速度,。所用電源中的輻射和傳導(dǎo)發(fā)射也可能引發(fā)電子設(shè)備中其他電路部分的功能問題,。因此，減少所產(chǎn)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(guān)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(jìn)的開關(guān)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(guān)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(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)涫褂谩D2顯示了降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞拿}沖電流和所產(chǎn)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(guān)穩(wěn)壓器中的脈沖電流，Silent Switcher技術(shù)使所產(chǎn)生的脈沖磁場相互抵消

　　EMC仿真

　　在經(jīng)過認(rèn)證的測試實(shí)驗(yàn)室進(jìn)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(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要支柱是使用ADI LTpowerCAD?等工具進(jìn)行EMC優(yōu)化,。在開發(fā)過程中使用仿真工具實(shí)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(shè)計(jì)器,。利用此工具可以計(jì)算開關(guān)穩(wěn)壓器的傳導(dǎo)發(fā)射,，如果干擾太高,，可以設(shè)計(jì)濾波器來提供補(bǔ)救措施。

　　高開關(guān)頻率和快速控制環(huán)路

　　電源的另一個(gè)趨勢是開關(guān)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(guān)穩(wěn)壓器IC的一個(gè)例子,。它是基于ADI Silent Switcher平臺的降壓開關(guān)穩(wěn)壓器。對于高開關(guān)頻率（LTC33xx開關(guān)穩(wěn)壓器系列可擴(kuò)展到10MHz）,，除了上述優(yōu)勢外,，還存在實(shí)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(fù)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(fù)載瞬變情況下,，電源電壓也不能超出一個(gè)很窄的調(diào)節(jié)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關(guān)頻率的開關(guān)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(guān)穩(wěn)壓器IC創(chuàng)新提供了資金,。

　　圖3.LTpowerCAD工具,，用于簡單計(jì)算開關(guān)穩(wěn)壓器電路中的傳導(dǎo)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(gè)領(lǐng)域是高集成度的完整電源電路。第一步是將多個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器集成到一個(gè)IC外殼中,。這些產(chǎn)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(chǎn)品提供,，用作常見應(yīng)用的通用PMIC解決方案。 ADP5014 是一款受歡迎的電源構(gòu)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關(guān)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(gè)開關(guān)穩(wěn)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(chǎn)生所需的電壓,。μModule^?選擇的存在使得幾乎所有應(yīng)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(fù)雜的電源要求,。例如，LTM4700 降壓開關(guān)穩(wěn)壓器可提供高達(dá)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(yùn)行,。 許多μModule采用特別設(shè)計(jì),，使得作為外殼一部分的內(nèi)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(shè)計(jì),。

　　μModule創(chuàng)新使得構(gòu)建不會過熱、針對應(yīng)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(jié)省資金,，使該產(chǎn)品組在眾多應(yīng)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(yù)期電源領(lǐng)域會有更多創(chuàng)新

　　隨著模數(shù)轉(zhuǎn)換器,、模擬前端、微控制器和FPGA等電氣負(fù)載的發(fā)展,，對電源的要求在不斷變化和調(diào)整,。需要的電壓正在降低，而需要的電流卻在增加,。因此,，標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)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(yù)見的將來,，它不會轉(zhuǎn)而成為“大宗商品”。