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(duì)不會(huì)想到今天我們高度技術(shù)化的世界是無(wú)法在沒(méi)有電壓和電力的情況下正常運(yùn)轉(zhuǎn)的。

如果沒(méi)有電源，幾乎所有的東西都會(huì)停止運(yùn)轉(zhuǎn)；從簡(jiǎn)單的消費(fèi)設(shè)備到 LED 照明、計(jì)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(lái)探索遙遠(yuǎn)宇宙的哈勃望遠(yuǎn)鏡，以及船艦和電動(dòng)汽車(chē)?，F(xiàn)在如果沒(méi)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(dòng)汽車(chē)”呢？電動(dòng)汽車(chē)必須確保安全，而且它們現(xiàn)在甚至可以自動(dòng)駕駛！車(chē)輛正在被重新定義?，F(xiàn)在可以沒(méi)有方向盤(pán)了，而我們?nèi)孔诤笞?。三臺(tái)車(chē)載電腦，無(wú)數(shù)個(gè)傳感器，無(wú)數(shù)多的軟件，以及人工智能！當(dāng)一切結(jié)合起來(lái)并正常運(yùn)作時(shí)，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(kāi)始應(yīng)用在殘疾人士的車(chē)輛中。

可靠性

笨重的牽引電池提供動(dòng)力給發(fā)動(dòng)機(jī)，而其他的消費(fèi)電子產(chǎn)品也由牽引電池供電，例如人工智能車(chē)載計(jì)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(lái)的?，F(xiàn)在我們已經(jīng)開(kāi)始對(duì) DC/DC 轉(zhuǎn)換器有硬性要求，它們必須像整個(gè)計(jì)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(huì)變熱。每當(dāng)東西開(kāi)始發(fā)熱（或者變燙）就會(huì)開(kāi)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(guò)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(guò)導(dǎo)熱材料將熱量直接傳遞到外殼，例如鋁制底板。第二個(gè)技巧是不使用大型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，而是將幾個(gè)小型轉(zhuǎn)換器分布在一個(gè)大區(qū)域（分布式電源架構(gòu)）。這種做法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)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(hào)的模擬電路附近也有 12V/5V 轉(zhuǎn)換器。這種架構(gòu)也稱為 PoL（負(fù)載點(diǎn)）。除了分散熱量以外也具有EMC的優(yōu)勢(shì)。

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(lái)越重要，同時(shí)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(shí)提供高度恒定和準(zhǔn)確的輸出電壓，即使在負(fù)載跳變時(shí)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(shí)際上只能通過(guò)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榇?lián)穩(wěn)壓器會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的廢熱。然而開(kāi)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(shí)在輸入端也需要濾波。因此選擇轉(zhuǎn)換器時(shí)需要知道它已滿足的標(biāo)準(zhǔn)，然后再來(lái)決定需要哪些濾波器。

市場(chǎng)上常見(jiàn)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(jiàn)的設(shè)計(jì)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(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的例子，我們特意選擇低功率轉(zhuǎn)換器，因?yàn)樾∞D(zhuǎn)換器特別難實(shí)現(xiàn)高效率和高功率密度。這個(gè)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?jī)H2g，特別適用于重量受限的應(yīng)用，例如無(wú)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/cm3！

寬輸入電壓范圍涵蓋所有常見(jiàn)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(hào)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(jiàn)，但對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、高啟動(dòng)電流應(yīng)用或激光電源來(lái)說(shuō)已十分足夠。

RPX-4.0的輸入電壓范圍為 3.8 至 36V，使用兩個(gè)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(shù)立了新的標(biāo)準(zhǔn)。RPX-4.0 具有欠壓、短路、過(guò)流和過(guò)熱的全面保護(hù)功能。

效率

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(hào)和安裝配置的不同，功率減少時(shí)可高達(dá) 90°C。低輸出功率時(shí)效率曲線上升，也就是說(shuō)轉(zhuǎn)換器適合用在中低輸出功率。這主要是通過(guò)智能控制開(kāi)關(guān)頻率和一個(gè)屏蔽的集成存儲(chǔ)扼流圈來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)確保低 EMI。該設(shè)計(jì)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(píng)估板，客戶可以測(cè)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(wú)損電源

如果 LED 由電壓源供電，它們需要串聯(lián)電阻來(lái)限制電流和調(diào)整工作點(diǎn)，產(chǎn)生額外的功率損耗。如果使用電流源來(lái)為 LED 供電則可以避免這種情況。使用穩(wěn)壓器和運(yùn)算放大器可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的電路，對(duì) LED來(lái)說(shuō)具有電流源特性：

圖2：電流源應(yīng)用示例

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(jì)能讓轉(zhuǎn)換器滿載工作且無(wú)需強(qiáng)制冷卻。