為什麼功率轉換仍然算不上大宗商品

作者：ADI現場應用工程師Frederik Dostal

選擇合適的電源轉換器僅僅表示找到最便宜的元件嗎？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品質的產品。本文便將概述一些運用低成本電源轉換器成功實現高品質產品的應用實例。

幾乎所有電氣裝置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。現今的製造商之間是否有差異化？

「大宗商品」特指這一類商品——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，當時電源產業的很大一部分應用正在經歷一場劇變。大多數應用正從線性穩壓器(LDO)轉換到效率更高的開關穩壓器。這主要是透過開發內建功率切換的開關穩壓器IC，以及大幅便利此類開關穩壓器解決方案應用的簡化設計來實現的。凌力爾特公司（現為ADI的一部分）在實現此根本變革中發揮了重要作用。

在該重要時期之後，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

目前肯定存在簡單電壓轉換即足夠的應用。用於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。線性穩壓器的價格在幾歐分左右。簡單的開關穩壓器也能以每個幾美分的價格獲得，但其具有明顯的優勢，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，對於大多數應用而言，電源領域將不再有創新的預測被證明是錯誤的。即使在贈品等廉價促銷品中，電源轉換品質也產生決定性作用。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2 A的充電電流。整合開關模式電源轉換器將12 V轉換為5 V，能很好的產生2 A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適配器時，車載收音機便停止工作。轉換器的切換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。

另一個例子是採用紐扣電池的廉價裝置，短時間運行後就要更換電池。在這裡，最終產品的品質同樣直接取決於電源的品質。

適合大多數應用的高品質創新

還要考慮到持續良率以及防止過多電子廢物，這也需要開發更高品質的電源產品。因此，在大多數應用中，穩壓器並未成為大宗商品。以下是一些非常成功的創新目標。

提升轉換效率

能源是要花錢的。這筆錢是支付給電力公司，用於購買電池，還是為光伏系統製造太陽能電池所導致的開銷，無關緊要。因此，對於所有電源，轉換效率都很重要。在某些情況下，它甚至是決定性的。

電壓轉換過程中發生的能量損耗會導致另一個問題：系統升溫。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），提升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，但在現今的許多應用中，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%效率的電壓轉換表示沒有任何損失。

為了提升效率，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）和開關的閘極電容。另外也可以提升開關轉換的速度，這會降低開關損耗。許多此類改善是由GaN和SiC等新型開關技術提供的。

另一種選擇是降低被動元件（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48 V至12 V轉換，在20 A輸出電流和500 kHz切換頻率的條件下，可以實現97.3%的轉換效率。使用標準商用矽MOSFET可產生240 W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，而且由於電源電壓已經減半，下游降壓轉換器可以在最優電壓範圍內工作。

改善電磁相容性

正在進行重要創新的第二個領域是電磁相容性(EMC)。這是電路獲得批准的重要先決條件。開關穩壓器總是會產生電磁輻射。輻射是每個開關穩壓器都有的脈衝電流產生的，其大小取決於切換頻率和開關轉換的速度。所用電源中的輻射和傳導發射也可能引發電子產品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。

推動創新的動力之一是以減少對額外濾波器的需求。開關穩壓器的干擾越少，則附加濾波器和遮罩元件的成本越低。因此，改善的開關穩壓器IC很受用戶歡迎。

過去幾年最大的創新之一是ADI的Silent Switcher ^®概念。它透過各種技巧，例如平衡對稱脈衝電流和去除鍵合線，明顯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。

EMC模擬

在經過認證的測試實驗室進行EMI測量的成本高昂。修改已經開發好的硬體也很昂貴。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。在開發過程中使用模擬工具實現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，如果干擾太高，可以設計濾波器來提供補救措施。

高切換頻率和快速控制迴路

電源的另一個趨勢是切換頻率越來越高，這使得低成本且節省空間的電路成為可能。在電源輸出端的電壓漣波相同的情況下，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。對於高切換頻率（ LTC33xx 開關穩壓器系列可擴展到10 MHz），除了上述優勢外，還存在實現非常快速控制迴路的可能性。

快速控制迴路表示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範圍。確保這一點的方法之一是增加大量高品質輸出電容，而更優雅且更便宜的方法是使用高切換頻率的開關穩壓器IC，從而獲得高控制迴路頻寬。

電容成本的節省為開關穩壓器IC創新提供了資金。

更高的整合度和易用性

正在出現大量創新的第四個領域是高整合度的完整電源電路。第一步是將多個開關穩壓器整合到一個IC外殼中。這些產品通常被稱為電源管理積體電路(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，用於常見應用的通用PMIC解決方案。 ADP5014 是一款受歡迎的電源建構模組——例如，用於FPGA。圖4顯示了一個使用這種PMIC模組為FPGA供電的電路。

除高度整合外，模組還非常易於使用。模組幾乎將整個開關穩壓器電路整合在一個外殼中。通常，只有輸入和輸出電容是外接的，電路其餘部分（包括電感器）都是整合的。因此，使用者不再需要選擇外部被動元件。模組可以簡單焊接到主機板上，可靠的產生所需的電壓。µModule ^®選擇的存在使得幾乎所有應用都有合適的模組可用。目前，大約有200種不同的電源模組可供使用。

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100 A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µModule採用特別設計，使得作為外殼一部分的內建電感像散熱器一樣將熱量釋放到環境空氣中，因此電路板只需吸收來自電源的少量額外熱量。大幅簡化了大功率電源的設計。

µModule創新使得建構不會過熱、針對應用進行優化且易於使用的小型電路成為可能。所有這些都能節省資金，使該產品組在眾多應用領域中非常受歡迎。進一步創新的潛力仍然很大。

預期電源領域的更多創新

隨著類比數位轉換器、類比前端、微控制器和FPGA等電氣負載的發展，對電源的要求也不斷地變化和調整。由於需要的電壓正逐漸降低，但需要的電流卻增加中，因此，標準開關穩壓器將不再能夠滿足未來的需求，這一項發現可以解釋為什麼電源仍有很大的創新潛力，以及為何在可預見的將來，它不會轉而成為「大宗商品」。