【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)。這(zhe)是(shi)電(dian)路(lu)獲(huo)得(de)批(pi)準(zhun)的(de)重(zhong)要(yao)先(xian)決(jue)條(tiao)件(jian)。開(kai)關(guan)穩(wen)壓(ya)器(qi)總(zong)是(shi)會(hui)產(chan)生(sheng)電(dian)磁(ci)輻(fu)射(she)。輻(fu)射(she)是(shi)每(mei)個(ge)開(kai)關(guan)穩(wen)壓(ya)器(qi)都(dou)有(you)的(de)脈(mai)衝(chong)電(dian)流(liu)產(chan)生(sheng)的(de)，其(qi)大(da)小(xiao)取(qu)決(jue)於(yu)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)和(he)開(kai)關(guan)轉(zhuan)換(huan)的(de)速(su)度(du)。所(suo)用(yong)電(dian)源(yuan)中(zhong)的(de)輻(fu)射(she)和(he)傳(chuan)導(dao)發(fa)射(she)也(ye)可(ke)能(neng)引(yin)發(fa)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)中(zhong)其(qi)他(ta)電(dian)路(lu)部(bu)分(fen)的(de)功(gong)能(neng)問(wen)題(ti)。因(yin)此(ci)
，減(jian)少(shao)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)幹(gan)擾(rao)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)。

tuidongchuangxindedonglizhiyishiyijianshaoduiewailvboqidexuqiu。kaiguanwenyaqideganraoyueshao，zefujialvboqihepingbiyuanjiandechengbenyuedi。yinci，gaijindekaiguanwenyaqiIC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

dianyuandelingyigequshishikaiguanpinlvyuelaiyuegao，zheshidedichengbenqiejieshengkongjiandedianluchengweikeneng。zaidianyuanshuchuduandedianyawenboxiangtongdeqingkuangxia
，shiyongjiaodidedianganhedianrongzhikeyijiangdidianganhedianrongdechengben。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(qi)IC，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µModule采cai用yong特te別bie設she計ji，使shi得de作zuo為wei外wai殼ke一yi部bu分fen的de內nei置zhi電dian感gan像xiang散san熱re器qi一yi樣yang將jiang熱re量liang釋shi放fang到dao環huan境jing空kong氣qi中zhong
，因yin此ci電dian路lu板ban隻zhi需xu吸xi收shou來lai自zi電dian源yuan的de少shao量liang額e外wai熱re量liang。這zhe大da大da簡jian化hua了le大da功gong率lv電dian源yuan的de設she計ji。

µModule創新使得構建不會過熱
、針(zhen)對(dui)應(ying)用(yong)進(jin)行(xing)優(you)化(hua)且(qie)易(yi)於(yu)使(shi)用(yong)的(de)小(xiao)型(xing)電(dian)路(lu)成(cheng)為(wei)可(ke)能(neng)。所(suo)有(you)這(zhe)些(xie)都(dou)能(neng)節(jie)省(sheng)資(zi)金(jin)
，使(shi)該(gai)產(chan)品(pin)組(zu)在(zai)眾(zhong)多(duo)應(ying)用(yong)領(ling)域(yu)中(zhong)非(fei)常(chang)受(shou)歡(huan)迎(ying)。進(jin)一(yi)步(bu)創(chuang)新(xin)的(de)潛(qian)力(li)仍(reng)然(ran)很(hen)大(da)。

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）

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