用于高效电源管理的高性能DC-DC转换器

电源管理在电子设计的许多领域都是一个具有挑战性的元素，而不仅仅是在工业领域。通过以最佳方式管理效率和热管理问题，可以获得能耗极低的设备。要获得高效的 DC-DC 转换，需要考虑几个特性。根据一系列操作条件，这些方法中的每一种都有其特定的优点和缺点。

介绍

DC-DC 转换器的设计遵循一些必须根据应用领域获得批准的规范。此类规范的示例包括输入电压范围、输出电压值、输出功率、效率、输入和输出之间的电气绝缘、工业标准。在DC-DC转换器的设计中，许多因素有助于确定相关元件的正确值。此外，必须考虑选择作为 DC-DC 转换器运行基础的最佳开关技术，以进一步优化转换器的效率。使用的技术 (IC)、材料、尺寸和符合法规是最终成本的主要部分。电源级的设计需要识别一些特性，例如瞬态容限和负载特性（阻抗范围）。瞬态响应是电源性能水平的良好指标。它是衡量直流电流承受负载阻抗变化的能力的指标。

DC-DC转换器效率的评估

系统损耗在评估 DC-DC 转换器的效率方面起着重要作用。他们的分析涉及两种类型：电感器中的峰值电流和转换器电路充电和放电阶段导致的所谓开关损耗。关于电感中峰值电流造成的损耗，可以确定两个因素，一个与导通期间 ON-OFF 开关 FET 的漏源电阻有关，另一个与电感的直流电阻有关。开关损耗或动态特性主要由电路的电容效应引起。特别是必须考虑 FET 和二极管的漏源寄生开关电容。电感器磁芯中的能量损耗与开关频率成正比；实际上，随着电感磁芯损耗的增加，频率也随之增加。这种类型的泄漏是由于芯的材料和尺寸造成的。电感的最佳选择主要由三个方面来考虑：饱和电流必须足够高于电感中流过的最大电流；电感的连续电阻；和电感器的物理尺寸。FET 必须能够承受电感放电期间的漏源电压。此外，最大漏电流必须高于通过电感的峰值电流。为了最小化开关损耗，FET 必须具有低栅源和漏源电容值。

电感的最佳选择主要由三个方面来考虑：饱和电流必须足够高于电感中流过的最大电流；电感的连续电阻；和电感器的物理尺寸。FET 必须能够承受电感放电期间的漏源电压。此外，最大漏电流必须高于通过电感的峰值电流。为了最小化开关损耗，FET 必须具有低栅源和漏源电容值。电感的最佳选择主要由三个方面来考虑：饱和电流必须足够高于电感中流过的最大电流；电感的连续电阻；和电感器的物理尺寸。FET 必须能够承受电感放电期间的漏源电压。此外，最大漏电流必须高于通过电感的峰值电流。为了最小化开关损耗，FET 必须具有低栅源和漏源电容值。FET 必须能够承受电感放电期间的漏源电压。此外，最大漏电流必须高于通过电感的峰值电流。为了最小化开关损耗，FET 必须具有低栅源和漏源电容值。FET 必须能够承受电感放电期间的漏源电压。此外，最大漏电流必须高于通过电感的峰值电流。为了最小化开关损耗，FET 必须具有低栅源和漏源电容值。

Digital Control

数字控制已被证明是最可靠的电压调整方法。在开关电源的每个工作周期中，数字 IC 允许微调节能直至控制耗散。在数字控制器中，模数转换器 (ADC) 将输出电压的测量值（标度）与参考电压（误差电压）之间的差异转换为数字值。数字控制器的 PID 处理器取代了模拟设备的补偿网络。瑞萨电子 ZL6105 是一款带有集成 MOSFET 驱动器的数字电源调节器。它被设计为一个灵活的直流元件，可以很容易地适应从 3 相供电的单相电源的设计。

图 1：电源管理数字控制



图2：ZL6105典型应用电路

医疗的

医疗级 DC/DC 转换器通常用于描述一类日益流行的转换器。主要要求是在输入和输出之间寻找安全的电流隔离，通常表示为隔离电压。隔离式转换器通过其隔离屏障承受高压的能力取决于用于构建转换器的材料、内部 PCB 上输入和输出走线之间的物理隔离以及变压器承受输入和输出之间应力的绝缘能力。出口绕组。变压器构造最简单的解决方案是使用具有涂层厚度或多层涂层的绕组以确保足够的绝缘。然而，随着小型化趋势的发展，该解决方案已达到其极限。

除了绝缘电阻之外，DC/DC 转换器的另一个最关键的规格是工作温度范围。具有低内部功耗的高效转换器可以在高温下运行而不会过热。

Recom 的 REM1 集成了 REM3、REM6 和 REM10 系列，在更紧凑的 SIP7 封装中提供 1W 级非稳压 DC/DC 转换器。REM1 具有 5.2 kVAC /1 分钟的隔离和 2MOPP / 250VAC 的工作电压。REM1 提供 3.3、5、12、15 或 24V 输入，并提供 3.3、5 或 12V 输出，效率高达 85%（图 3）。

图 3：根据 REM10 系列负载的 DC-DC 转换器效率

ADI 的 μModule Power by Linear 系列代表了完整的“系统级封装”电源解决方案，可最大限度地缩短设计时间并解决电路板空间、散热和能量密度方面的最常见问题。μModule 产品是完整的电源管理解决方案，将 DC-DC 控制器、功率晶体管、输入和输出电容器、补偿元件和电感器集成到紧凑的 BGA 或 LGA 表面贴装封装中（图 4）。

图 4：LTM8065 典型应用电路

铁路

铁路应用要求设备能够承受牵引车辆和机车车辆遇到的气候、机械和电气环境。电子设备需要DC/DC电源的转换，必须安全可靠地运行。

RP 转换器：RECOM 的 RP08-AW、RP20-FR 和 RP40-FR 系列，效率高达 92%，设计用于铁路板列车应用（机车车辆），也可用于电信领域的其他应用。紧凑型模块提供宽输入电压范围，具有单输出和双输出电压以及通过一些相应引脚的控制逻辑。89% 的产率和 -40 °C 至 + 85 °C 的宽工作温度范围在 -HC 版本中提供了广泛的用途，考虑到反过来冷却利用自然公约但有可能使用预组装的散热器（图 5）。

图 5：RP20（左）和 RP40（右）系列的效率与输出电流的函数关系

结论

电源系统的设计涉及一系列设计因素之间的折衷，例如尺寸、成本和效率。一般来说，要设计电源级，需要确定一些性能，例如瞬态容限、纹波电压和负载特性。为了实现具有更长运行时间和更小尺寸的系统，越来越多的系统设计人员正在专注于通过更好地管理电池特性来提高具有先进电路拓扑结构的电源转换效率。


审核编辑：刘清