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

選擇合適的電源轉換器僅僅是找到最便宜的部件嗎?事實證明，電源電壓轉換領域的創(chuàng)新是值得的，并且在市場上得到了回報——因為這些解決方案帶來了更高質量的產品。本文概述了一些成功實現(xiàn)質量優(yōu)于低成本電源轉換器的應用示例。

電源轉換器幾乎用于所有電氣設備。多年來，它們已經針對各自的應用條件進行了設計和調整。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易或商業(yè)物品。產品創(chuàng)新的空間很小。

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

在那段重要的時間之后，人們經常聽到電源業(yè)務無法再產生任何重大創(chuàng)新，而進一步的發(fā)展將朝著一個方向發(fā)展：降低成本。

簡單的電壓轉換就足夠的應用

當今存在簡單的電壓轉換就足夠的應用。這些應用是用于消費產品的非常便宜的開關模式電源。具有幾乎相同的技術特性的電源轉換器被廣泛提供。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。

電壓轉換器市場的差異化

然而，對于大多數(shù)應用，電源領域將不再有創(chuàng)新的預測被證明是假的。即使在贈品等廉價促銷品中，電源轉換質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：我車上點煙器的 USB 充電適配器。它承諾高達 2 A 的充電電流。將 12 V 轉換為 5 V 的集成開關模式電源轉換器可以產生這些 2 A 電流。使用標準開關穩(wěn)壓器來減少這種高功率下的熱損失。不幸的是，當使用此 USB 適配器時，車載收音機停止工作。轉換器的開關頻率和開關轉換的頻率導致了強輻射，使無線電接收變得不可能。在選擇開關穩(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備，在短暫運行后必須更換。在這里，最終產品的質量也直接取決于電源的質量。

大多數(shù)應用的質量創(chuàng)新

還考慮到持續(xù)良率和防止過多的電子浪費，需要開發(fā)更高質量的電源產品。因此，在大多數(shù)應用中，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。

提高轉換效率

能源要花錢。這筆錢是否支付給公用事業(yè)公司并不重要。必須購買電池或產生費用，例如為光伏系統(tǒng)制造太陽能電池。由于這個事實，對于所有電源，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(fā)生的能量損失會導致另一個問題：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換的創(chuàng)新目標：對于極低功率(如在能量收集或電池供電的應用中)和高功率(如在千瓦范圍內的電源單元)。85% 的轉換效率對于 20 年前的開關穩(wěn)壓器來說可能是不錯的，但在當今的許多應用中，即使是 93% 也不夠。看起來這種趨勢不會很快消失。100% 的轉換效率似乎并不容易達到，但仍將是目標。100% 效率的電壓轉換沒有任何損失。

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

另一種選擇是減少無源元件(例如電感器和電容器)的損耗。

除了這些明顯的調整之外，還存在涉及開關穩(wěn)壓器拓撲的替代方法。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，以在電源電壓轉換為較低電壓時實現(xiàn)非常高的效率。對于在 20 A 的輸出電流下將 48 V 轉換為 12 V，在 500 kHz 的開關頻率下可以實現(xiàn) 97.3% 的轉換效率。使用標準商用硅 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，并且由于電源電壓已經減半，下游降壓轉換器可以在最佳電壓范圍內工作。