RECOM技術(shù)：DC/DC轉(zhuǎn)換器的要求

　　亞歷山德羅·朱塞佩·安東尼奧·阿納斯塔西奧·伏特和安德烈-馬里·安培絕對不會想到今天我們高度技術(shù)化的世界是無法在沒有電壓和電力的情況下正常運轉(zhuǎn)的。

　　如果沒有電源，幾乎所有的東西都會停止運轉(zhuǎn)；從簡單的消費設備到 LED 照明、計算機網(wǎng)絡、幫助我們保持健康的醫(yī)療設備、衛(wèi)星或我們用來探索遙遠宇宙的哈勃望遠鏡，以及船艦和電動汽車?，F(xiàn)在如果沒有衛(wèi)星導航系統(tǒng)船舶將很難到達目的港，而飛機需要額外的導航儀。那么“電動汽車”呢？電動汽車必須確保安全，而且它們現(xiàn)在甚至可以自動駕駛！車輛正在被重新定義。現(xiàn)在可以沒有方向盤了，而我們?nèi)孔诤笞?。三臺車載電腦，無數(shù)個傳感器，無數(shù)多的軟件，以及人工智能！當一切結(jié)合起來并正常運作時，我們將放手交給技術(shù)，拉下百葉窗，放松身心的抵達目的地。好吧，這些雖然還是有些遙遠，但許多技術(shù)卻已經(jīng)開始應用在殘疾人士的車輛中。

　　可靠性

　　笨重的牽引電池提供動力給發(fā)動機，而其他的消費電子產(chǎn)品也由牽引電池供電，例如人工智能車載計算機，但它們需要較低的12V、18V、24V 的電壓。微控制器及外圍設備以 5V、3.3V 或 1.8V 電壓工作，而這些是從 12V 衍生而來的?，F(xiàn)在我們已經(jīng)開始對 DC/DC 轉(zhuǎn)換器有硬性要求，它們必須像整個計算機一樣安全可靠地工作。不幸的是，由于能量守恒定律它們也會變熱。每當東西開始發(fā)熱（或者變燙）就會開始老化。在低溫的情況下老化并不明顯，但器件越熱老化的過程就越快，而電解電容器的老化甚至直接取決于溫度。以現(xiàn)有的器件技術(shù)，只有良好的散熱才能有所改善。風扇通常是不被考慮的，因此唯一的散熱方法是通過導熱材料將熱量直接傳遞到外殼，例如鋁制底板。第二個技巧是不使用大型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，而是將幾個小型轉(zhuǎn)換器分布在一個大區(qū)域（分布式電源架構(gòu)）。這種做法的另一個優(yōu)點是在需要的地方產(chǎn)生電壓。微控制器直接從 12V 電壓軌（內(nèi)部電源總線）產(chǎn)生 3.3V 電壓，而處理傳感器信號的模擬電路附近也有 12V/5V 轉(zhuǎn)換器。這種架構(gòu)也稱為 PoL（負載點）。除了分散熱量以外也具有EMC的優(yōu)勢。

　　尺寸與EMC

　　根據(jù)到目前為止的內(nèi)容，我們可以看到小型高效的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器越來越重要，同時也決定了設備的架構(gòu)。

　　除了上述的要求以外，轉(zhuǎn)換器的尺寸要越小越好，同時提供高度恒定和準確的輸出電壓，即使在負載跳變時也能保持在規(guī)定的范圍之內(nèi)。轉(zhuǎn)換器必須具有較寬的輸入電壓范圍以及成本效益。在大多數(shù)的情況下，這些要求實際上只能通過開關穩(wěn)壓器來實現(xiàn)，因為串聯(lián)穩(wěn)壓器會產(chǎn)生過多的廢熱。然而開關穩(wěn)壓器需要在輸出端進行符合 EMC 標準的濾波，有時在輸入端也需要濾波。因此選擇轉(zhuǎn)換器時需要知道它已滿足的標準，然后再來決定需要哪些濾波器。

　　市場上常見的轉(zhuǎn)換器功率范圍從幾百毫瓦到幾百瓦不等。由于額定功率不同，常見的設計也不同。從功率范圍約 10W 的 SMD、SIL 或 DIL，到功率約 40W 的幾英寸大小，再到高功率的磚式轉(zhuǎn)換器。所謂的全磚的尺寸是 117 mm x 61 mm。

　　例子

　　為了舉一個開關穩(wěn)壓器的例子，我們特意選擇低功率轉(zhuǎn)換器，因為小轉(zhuǎn)換器特別難實現(xiàn)高效率和高功率密度。這個例子就是RPX-4.0，一種采用熱優(yōu)化 QFN 封裝，具有極高功率密度的微型降壓轉(zhuǎn)換器。

　　它的重量僅2g，特別適用于重量受限的應用，例如無人機、加速電路和便攜式設備。在 5V 輸出電壓下，功率密度為 180W/cm3！

　　寬輸入電壓范圍涵蓋所有常見的電池電壓，因此可以用在幾乎所有電池供電的產(chǎn)品上。

　　方便好用的 CTRL 輸入可將 RPX-4.0 設定在睡眠模式或使用低功率控制信號切換到高輸出電流，也可輕松用作緊急停止的功能。RPX.4.0 提供高達 4 安培的電流，這在如此小的器件中非常少見，但對步進電機驅(qū)動器、高啟動電流應用或激光電源來說已十分足夠。

　　RPX-4.0的輸入電壓范圍為 3.8 至 36V，使用兩個電阻調(diào)節(jié)可提供1至7V輸出電壓和 4A電流。憑借著 5mm x 5.5mm 的緊湊尺寸和僅 4.1mm 的高度，這款降壓轉(zhuǎn)換器模塊在功率密度上樹立了新的標準。RPX-4.0 具有欠壓、短路、過流和過熱的全面保護功能。

　　效率

　　圖 1：效率與負載RPX-4.0 （Vout = 5VDC， Tamb = 25°C）

　　高效的RPX-4.0全功率工作溫度最高可達65°C，并根據(jù)型號和安裝配置的不同，功率減少時可高達 90°C。低輸出功率時效率曲線上升，也就是說轉(zhuǎn)換器適合用在中低輸出功率。這主要是通過智能控制開關頻率和一個屏蔽的集成存儲扼流圈來實現(xiàn)，同時確保低 EMI。該設計遵循 RECOM 的3D Power Packaging? 高功率密度技術(shù)，在引線框結(jié)構(gòu)上使用倒裝芯片。RECOM提供 3 年質(zhì)量保證，也提供RPX-4.0-EVM-1評估板，客戶可以測試所有產(chǎn)品功能并優(yōu)化濾波以滿足目標系統(tǒng)的要求。

　　無損電源

　　如果 LED 由電壓源供電，它們需要串聯(lián)電阻來限制電流和調(diào)整工作點，產(chǎn)生額外的功率損耗。如果使用電流源來為 LED 供電則可以避免這種情況。使用穩(wěn)壓器和運算放大器可以實現(xiàn)簡單的電路，對 LED來說具有電流源特性：