電源管理在電子設(shè)計(jì)的許多領(lǐng)域都是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的元素，而不僅僅是工業(yè)領(lǐng)域。通過以最佳方式管理效率和熱管理問題，它允許獲得能耗非常低的設(shè)備。要獲得高效的 DC/DC 轉(zhuǎn)換，需要考慮幾個(gè)特性。這些方法中的每一種都有其特定的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，具體取決于一系列操作條件。

介紹

DC/DC 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)遵循一些必須根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域批準(zhǔn)的規(guī)范。此類規(guī)格的示例包括輸入電壓范圍、輸出電壓值、輸出功率、效率、輸入和輸出之間的電氣絕緣以及工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)中，許多因素有助于確定相關(guān)元件的正確值。此外，必須考慮選擇作為 DC/DC 轉(zhuǎn)換器運(yùn)行基礎(chǔ)的最佳開關(guān)技術(shù)，以進(jìn)一步優(yōu)化轉(zhuǎn)換器的效率。使用的技術(shù) (IC)、材料、尺寸以及對(duì)法規(guī)的遵守是最終成本的主要部分。

電源級(jí)的設(shè)計(jì)需要識(shí)別一些特性，例如瞬態(tài)容限和負(fù)載特性(阻抗范圍)。瞬態(tài)響應(yīng)是電源性能水平的良好指標(biāo)。它是衡量直流電能夠承受負(fù)載阻抗變化的程度的指標(biāo)。

DC/DC轉(zhuǎn)換器效率評(píng)估

系統(tǒng)損耗在評(píng)估 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的效率方面發(fā)揮著重要作用。他們的分析涉及兩種類型：一種是由電感器中的峰值電流引起的，另一種是由轉(zhuǎn)換器電路的充電和放電階段引起的所謂開關(guān)損耗。關(guān)于電感器中的峰值電流引起的損耗，可以確定兩個(gè)因素，一個(gè)與導(dǎo)通期間 ON-OFF 開關(guān) FET 的漏源電阻有關(guān)，另一個(gè)與電感器的直流電阻有關(guān)。開關(guān)損耗或動(dòng)態(tài)主要是由電路的電容效應(yīng)引起的。特別是必須考慮 FET 和二極管的漏源寄生開關(guān)容量。

電感磁芯中的能量損耗與開關(guān)頻率成正比;事實(shí)上，頻率的增加會(huì)隨著電感磁芯損耗的增加而增加。這種類型的泄漏是由于芯的材料和尺寸造成的。電感的最佳選擇主要包括三個(gè)方面需要考慮： 飽和電流，它必須充分高于電感中流動(dòng)的最大電流;電感的連續(xù)電阻;和電感器的物理尺寸。FET 必須能夠在電感放電期間承受漏源電壓。此外，最大漏極電流必須高于通過電感器的峰值電流。為了最小化開關(guān)損耗，F(xiàn)ET 必須具有低柵源和漏源電容值。

數(shù)字控制

數(shù)字控制已被證明是最可靠的電壓調(diào)節(jié)方法。數(shù)字 IC 允許微調(diào)節(jié)能，直至控制開關(guān)電源每個(gè)工作周期期間的耗散。在數(shù)字控制器中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 將輸出電壓的測(cè)量值(刻度)與參考電壓(誤差電壓)之間的差異轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。數(shù)字控制器的 PID 處理器取代了模擬設(shè)備的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。例如，瑞薩電子 ZL6105 是一款集成了 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器的數(shù)字電源穩(wěn)壓器。它被設(shè)計(jì)成一個(gè)靈活的直流元件，可以很容易地適應(yīng)從 3.0 運(yùn)行的單相電源的設(shè)計(jì)。圖 1和圖 2 )。

圖 1：電源管理數(shù)字控制。

圖 2：ZL6105 的典型應(yīng)用電路。

醫(yī)療的

醫(yī)療級(jí) DC/DC 轉(zhuǎn)換器是常用來描述一類越來越流行的轉(zhuǎn)換器。主要要求是在輸入和輸出之間尋找安全的電流隔離，通常表示為隔離電壓。隔離式轉(zhuǎn)換器通過其隔離屏障承受高壓的能力取決于用于構(gòu)建轉(zhuǎn)換器的材料、內(nèi)部 PCB 上輸入和輸出走線之間的物理隔離以及變壓器承受入口之間電應(yīng)力的絕緣能力和出口繞組。變壓器結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的解決方案是使用具有涂層厚度或具有多個(gè)涂層的繞組以確保足夠的絕緣。然而，隨著小型化趨勢(shì)的發(fā)展，這種解決方案正在達(dá)到其極限。

除了絕緣電阻之外，DC/DC 轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)最關(guān)鍵的規(guī)格是工作溫度范圍。具有低內(nèi)部功耗的高效轉(zhuǎn)換器可以在高溫下工作而不會(huì)過熱。

一個(gè)例子是 RECOM 的 REM1，它集成了 REM3、REM6 和 REM10 系列，在更緊湊的 SIP7 封裝中提供 1W 級(jí)非穩(wěn)壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。REM1 具有 5.2kVAC/1 分鐘的隔離和 2-MOPP/250-VAC 的工作電壓。REM1 可提供 3.3、5、12、15 或 24 V 輸入，并提供 3.3、5 或 12 V 輸出，效率高達(dá) 85%(圖 3)。

圖 3：REM10 系列根據(jù)負(fù)載的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器效率。

ADI 的 μModule Power by Linear 系列代表了完整的“系統(tǒng)級(jí)封裝”電源解決方案，可最大限度地縮短設(shè)計(jì)時(shí)間并解決電路板空間、散熱和能量密度方面的最常見問題。μModule 產(chǎn)品是完整的電源管理解決方案，包含 DC/DC 控制器、功率晶體管、輸入和輸出電容器、補(bǔ)償元件和電感器，集成到緊湊型 BGA 或 LGA 表面貼裝封裝中(圖 4)。

圖 4：LTM8065 的典型應(yīng)用電路。

鐵路

鐵路應(yīng)用要求設(shè)備能夠承受牽引車輛和機(jī)車車輛遇到的氣候、機(jī)械和電氣環(huán)境。電子設(shè)備需要對(duì)DC/DC電源進(jìn)行轉(zhuǎn)換，必須安全可靠地運(yùn)行。

RECOM 的 RP 系列轉(zhuǎn)換器 — RP08-AW、RP20-FR 和 RP40-FR — 效率高達(dá) 92%，設(shè)計(jì)用于鐵路板車應(yīng)用(機(jī)車車輛)，也可用于電信領(lǐng)域的其他應(yīng)用。緊湊型模塊提供寬輸入電壓范圍，通過一些相應(yīng)的引腳提供單輸出電壓和雙輸出電壓和控制邏輯。-HC 版本中 89% 的產(chǎn)率和從 -40°C 到 85°C 的寬工作溫度范圍提供了廣泛的用途，考慮到反過來，冷卻利用自然對(duì)流，但可以使用預(yù)組裝的散熱器(圖 5)。

圖 5：RP20(左)和 RP40(右)系列的效率與輸出電流的函數(shù)關(guān)系。

結(jié)論

電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涉及一系列設(shè)計(jì)因素之間的折衷，例如尺寸、成本和效率。一般來說，要設(shè)計(jì)電源級(jí)，需要確定一些性能，例如瞬態(tài)容限、紋波電壓和負(fù)載特性。為了實(shí)現(xiàn)具有更長運(yùn)行時(shí)間和更小尺寸的系統(tǒng)，越來越多的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員正專注于通過更好地管理電池特性來利用先進(jìn)的電路拓?fù)涮岣唠娫崔D(zhuǎn)換效率。

審核編輯：湯梓紅