電源的要求不斷變化并適應(yīng)電氣負(fù)載的發(fā)展，創(chuàng)新電源介紹第一部分

選擇合適的電源轉(zhuǎn)換器僅僅是找到最便宜的部件嗎?事實(shí)證明，電源電壓轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的創(chuàng)新是值得的，并且在市場上得到了回報——因?yàn)檫@些解決方案帶來了更高質(zhì)量的產(chǎn)品。本文概述了一些成功實(shí)現(xiàn)質(zhì)量優(yōu)于低成本電源轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用示例。

電源轉(zhuǎn)換器幾乎用于所有電氣設(shè)備。多年來，它們已經(jīng)針對各自的應(yīng)用條件進(jìn)行了設(shè)計和調(diào)整。今天的制造商之間有區(qū)別嗎?

“商品”一詞是指市場上不同制造商之間差別不大，其價格與原材料價格一樣主要由制造成本決定的貿(mào)易或商業(yè)物品。產(chǎn)品創(chuàng)新的空間很小。

當(dāng)我開始在電源半導(dǎo)體領(lǐng)域工作時，很大一部分電源行業(yè)正在經(jīng)歷一場巨變。大多數(shù)應(yīng)用正在從線性穩(wěn)壓器過渡到效率更高的開關(guān)穩(wěn)壓器。這主要是通過開發(fā)具有內(nèi)部電源開關(guān)的開關(guān)穩(wěn)壓器 IC 和簡化的設(shè)計來實(shí)現(xiàn)的，這極大地促進(jìn)了此類開關(guān)穩(wěn)壓器解決方案的應(yīng)用。凌力爾特公司現(xiàn)已成為 ADI 公司的一部分，在實(shí)現(xiàn)這一根本性變革方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

在那段重要的時間之后，人們經(jīng)常聽到電源業(yè)務(wù)無法再產(chǎn)生任何重大創(chuàng)新，而進(jìn)一步的發(fā)展將朝著一個方向發(fā)展：降低成本。

簡單的電壓轉(zhuǎn)換就足夠的應(yīng)用

當(dāng)今存在簡單的電壓轉(zhuǎn)換就足夠的應(yīng)用。這些應(yīng)用是用于消費(fèi)產(chǎn)品的非常便宜的開關(guān)模式電源。具有幾乎相同的技術(shù)特性的電源轉(zhuǎn)換器被廣泛提供。線性穩(wěn)壓器的價格在幾歐分左右。簡單的開關(guān)穩(wěn)壓器也只需幾美分，但它們具有顯著優(yōu)勢，例如更高的效率和更高的輸出電流。

電壓轉(zhuǎn)換器市場的差異化

然而，對于大多數(shù)應(yīng)用，電源領(lǐng)域?qū)⒉辉儆袆?chuàng)新的預(yù)測被證明是假的。即使在贈品等廉價促銷品中，電源轉(zhuǎn)換質(zhì)量也起著決定性作用。這可以從我使用多年的促銷禮物來說明：我車上點(diǎn)煙器的 USB 充電適配器。它承諾高達(dá) 2 A 的充電電流。將 12 V 轉(zhuǎn)換為 5 V 的集成開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器可以產(chǎn)生這些 2 A 電流。使用標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)穩(wěn)壓器來減少這種高功率下的熱損失。不幸的是，當(dāng)使用此 USB 適配器時，車載收音機(jī)停止工作。轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率和開關(guān)轉(zhuǎn)換的頻率導(dǎo)致了強(qiáng)輻射，使無線電接收變得不可能。在選擇開關(guān)穩(wěn)壓器時，注意的是價格，而不是確保低電磁輻射。

另一個例子是帶有紐扣電池的廉價設(shè)備，在短暫運(yùn)行后必須更換。在這里，最終產(chǎn)品的質(zhì)量也直接取決于電源的質(zhì)量。

大多數(shù)應(yīng)用的質(zhì)量創(chuàng)新

還考慮到持續(xù)良率和防止過多的電子浪費(fèi)，需要開發(fā)更高質(zhì)量的電源產(chǎn)品。因此，在大多數(shù)應(yīng)用中，穩(wěn)壓器并未成為商品。以下是一些非常成功的創(chuàng)新目標(biāo)。

提高轉(zhuǎn)換效率

能源要花錢。這筆錢是否支付給公用事業(yè)公司并不重要。必須購買電池或產(chǎn)生費(fèi)用，例如為光伏系統(tǒng)制造太陽能電池。由于這個事實(shí)，對于所有電源，轉(zhuǎn)換效率都很重要。在某些情況下，它甚至是決定性的。

電壓轉(zhuǎn)換過程中發(fā)生的能量損失會導(dǎo)致另一個問題：加熱系統(tǒng)。如果必須安裝額外的散熱器和風(fēng)扇，它可能會變得昂貴。電子電路的可靠性和耐用性通常也很大程度上取決于工作溫度。

提高效率基本上是所有功率轉(zhuǎn)換的創(chuàng)新目標(biāo)：對于極低功率(如在能量收集或電池供電的應(yīng)用中)和高功率(如在千瓦范圍內(nèi)的電源單元)。85% 的轉(zhuǎn)換效率對于 20 年前的開關(guān)穩(wěn)壓器來說可能是不錯的，但在當(dāng)今的許多應(yīng)用中，即使是 93% 也不夠?？雌饋磉@種趨勢不會很快消失。100% 的轉(zhuǎn)換效率似乎并不容易達(dá)到，但仍將是目標(biāo)。100% 效率的電壓轉(zhuǎn)換沒有任何損失。

可以進(jìn)行許多創(chuàng)新以提高效率。一方面，可以降低通態(tài)電阻(R DS(on) )和開關(guān)的柵極電容。也可以增加開關(guān)轉(zhuǎn)換的速度。這降低了開關(guān)損耗。許多此類改進(jìn)是由 GaN 和 SiC 等新開關(guān)技術(shù)提供的。

另一種選擇是減少無源元件(例如電感器和電容器)的損耗。

除了這些明顯的調(diào)整之外，還存在涉及開關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)涞奶娲椒?。LTC7821混合轉(zhuǎn)換器就是一個例子。它將電荷泵與降壓轉(zhuǎn)換器相結(jié)合，以在電源電壓轉(zhuǎn)換為較低電壓時實(shí)現(xiàn)非常高的效率。對于在 20 A 的輸出電流下將 48 V 轉(zhuǎn)換為 12 V，在 500 kHz 的開關(guān)頻率下可以實(shí)現(xiàn) 97.3% 的轉(zhuǎn)換效率。使用標(biāo)準(zhǔn)商用硅 MOSFET 可產(chǎn)生 240 W 的輸出功率。圖 1 說明了混合降壓轉(zhuǎn)換概念。損耗之所以如此之低，是因?yàn)殡姾杀玫墓ぷ餍蕵O高，并且由于電源電壓已經(jīng)減半，下游降壓轉(zhuǎn)換器可以在最佳電壓范圍內(nèi)工作。