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DC/DC轉(zhuǎn)換器的要求

li5236 ? 來源:RECOM ? 作者:RECOM ? 2022-03-29 15:23 ? 次閱讀
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亞歷山德羅·朱塞佩·安東尼奧·阿納斯塔西奧·伏特和安德烈-馬里·安培絕對不會想到今天我們高度技術(shù)化的世界是無法在沒有電壓和電力的情況下正常運轉(zhuǎn)的。

如果沒有電源,幾乎所有的東西都會停止運轉(zhuǎn);從簡單的消費設(shè)備到 LED 照明、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、幫助我們保持健康的醫(yī)療設(shè)備、衛(wèi)星或我們用來探索遙遠(yuǎn)宇宙的哈勃望遠(yuǎn)鏡,以及船艦和電動汽車。現(xiàn)在如果沒有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)船舶將很難到達(dá)目的港,而飛機(jī)需要額外的導(dǎo)航儀。那么“電動汽車”呢?電動汽車必須確保安全,而且它們現(xiàn)在甚至可以自動駕駛!車輛正在被重新定義?,F(xiàn)在可以沒有方向盤了,而我們?nèi)孔诤笞H_車載電腦,無數(shù)個傳感器,無數(shù)多的軟件,以及人工智能!當(dāng)一切結(jié)合起來并正常運作時,我們將放手交給技術(shù),拉下百葉窗,放松身心的抵達(dá)目的地。好吧,這些雖然還是有些遙遠(yuǎn),但許多技術(shù)卻已經(jīng)開始應(yīng)用在殘疾人士的車輛中。

可靠性

笨重的牽引電池提供動力給發(fā)動機(jī),而其他的消費電子產(chǎn)品也由牽引電池供電,例如人工智能車載計算機(jī),但它們需要較低的12V、18V、24V 的電壓。微控制器及外圍設(shè)備以 5V、3.3V 或 1.8V 電壓工作,而這些是從 12V 衍生而來的?,F(xiàn)在我們已經(jīng)開始對 DC/DC 轉(zhuǎn)換器有硬性要求,它們必須像整個計算機(jī)一樣安全可靠地工作。不幸的是,由于能量守恒定律它們也會變熱。每當(dāng)東西開始發(fā)熱(或者變燙)就會開始老化。在低溫的情況下老化并不明顯,但器件越熱老化的過程就越快,而電解電容器的老化甚至直接取決于溫度。以現(xiàn)有的器件技術(shù),只有良好的散熱才能有所改善。風(fēng)扇通常是不被考慮的,因此唯一的散熱方法是通過導(dǎo)熱材料將熱量直接傳遞到外殼,例如鋁制底板。第二個技巧是不使用大型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器,而是將幾個小型轉(zhuǎn)換器分布在一個大區(qū)域(分布式電源架構(gòu))。這種做法的另一個優(yōu)點是在需要的地方產(chǎn)生電壓。微控制器直接從 12V 電壓軌(內(nèi)部電源總線)產(chǎn)生 3.3V 電壓,而處理傳感器信號模擬電路附近也有 12V/5V 轉(zhuǎn)換器。這種架構(gòu)也稱為 PoL(負(fù)載點)。除了分散熱量以外也具有EMC的優(yōu)勢。

尺寸與EMC

根據(jù)到目前為止的內(nèi)容,我們可以看到小型高效的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器越來越重要,同時也決定了設(shè)備的架構(gòu)。

除了上述的要求以外,轉(zhuǎn)換器的尺寸要越小越好,同時提供高度恒定和準(zhǔn)確的輸出電壓,即使在負(fù)載跳變時也能保持在規(guī)定的范圍之內(nèi)。轉(zhuǎn)換器必須具有較寬的輸入電壓范圍以及成本效益。在大多數(shù)的情況下,這些要求實際上只能通過開關(guān)穩(wěn)壓器來實現(xiàn),因為串聯(lián)穩(wěn)壓器會產(chǎn)生過多的廢熱。然而開關(guān)穩(wěn)壓器需要在輸出端進(jìn)行符合 EMC 標(biāo)準(zhǔn)的濾波,有時在輸入端也需要濾波。因此選擇轉(zhuǎn)換器時需要知道它已滿足的標(biāo)準(zhǔn),然后再來決定需要哪些濾波器。

市場上常見的轉(zhuǎn)換器功率范圍從幾百毫瓦到幾百瓦不等。由于額定功率不同,常見的設(shè)計也不同。從功率范圍約 10W 的 SMD、SIL 或 DIL,到功率約 40W 的幾英寸大小,再到高功率的磚式轉(zhuǎn)換器。所謂的全磚的尺寸是 117 mm x 61 mm。

例子

為了舉一個開關(guān)穩(wěn)壓器的例子,我們特意選擇低功率轉(zhuǎn)換器,因為小轉(zhuǎn)換器特別難實現(xiàn)高效率和高功率密度。這個例子就是RPX-4.0,一種采用熱優(yōu)化 QFN 封裝,具有極高功率密度的微型降壓轉(zhuǎn)換器。

它的重量僅2g,特別適用于重量受限的應(yīng)用,例如無人機(jī)、加速電路和便攜式設(shè)備。在 5V 輸出電壓下,功率密度為 180W/cm?!

寬輸入電壓范圍涵蓋所有常見的電池電壓,因此可以用在幾乎所有電池供電的產(chǎn)品上。

方便好用的 CTRL 輸入可將 RPX-4.0 設(shè)定在睡眠模式或使用低功率控制信號切換到高輸出電流,也可輕松用作緊急停止的功能。RPX.4.0 提供高達(dá) 4 安培的電流,這在如此小的器件中非常少見,但對步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、高啟動電流應(yīng)用或激光電源來說已十分足夠。

RPX-4.0的輸入電壓范圍為 3.8 至 36V,使用兩個電阻調(diào)節(jié)可提供1至7V輸出電壓和 4A電流。憑借著 5mm x 5.5mm 的緊湊尺寸和僅 4.1mm 的高度,這款降壓轉(zhuǎn)換器模塊在功率密度上樹立了新的標(biāo)準(zhǔn)。RPX-4.0 具有欠壓、短路、過流和過熱的全面保護(hù)功能。

效率

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圖 1:效率與負(fù)載RPX-4.0 (Vout = 5VDC, Tamb = 25°C)

高效的RPX-4.0全功率工作溫度最高可達(dá)65°C,并根據(jù)型號和安裝配置的不同,功率減少時可高達(dá) 90°C。低輸出功率時效率曲線上升,也就是說轉(zhuǎn)換器適合用在中低輸出功率。這主要是通過智能控制開關(guān)頻率和一個屏蔽的集成存儲扼流圈來實現(xiàn),同時確保低 EMI。該設(shè)計遵循 RECOM 的3D Power Packaging? 高功率密度技術(shù),在引線框結(jié)構(gòu)上使用倒裝芯片。RECOM提供 3 年質(zhì)量保證,也提供RPX-4.0-EVM-1評估板,客戶可以測試所有產(chǎn)品功能并優(yōu)化濾波以滿足目標(biāo)系統(tǒng)的要求。

無損電源

如果 LED 由電壓源供電,它們需要串聯(lián)電阻來限制電流和調(diào)整工作點,產(chǎn)生額外的功率損耗。如果使用電流源來為 LED 供電則可以避免這種情況。使用穩(wěn)壓器和運算放大器可以實現(xiàn)簡單的電路,對 LED來說具有電流源特性:

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圖2:電流源應(yīng)用示例

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圖3:輸出特性曲線圖

尺寸比較

使用 RECOM 3DPP? 技術(shù)的RPX-4.0 比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器具有更高的功率密度,如比較圖所示,全都使用相同的規(guī)模。盡管RPX-4.0小得令人難以置信,但出色的內(nèi)部熱管理設(shè)計能讓轉(zhuǎn)換器滿載工作且無需強制冷卻。

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