【導(dǎo)讀】功率轉(zhuǎn)換是各種電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，為滿足不同的應(yīng)用與產(chǎn)品需求，均需要進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換、穩(wěn)壓、隔離等處理，才能確保器件、模塊、系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的運(yùn)作。本文將為您展示功率轉(zhuǎn)換的重要應(yīng)用與發(fā)展方向，以及由ADI推出的功率轉(zhuǎn)換解決方案。
三種DC-DC轉(zhuǎn)換器類型與性能差異
功率轉(zhuǎn)換類型相當(dāng)多樣，包含交流（AC）與直流（DC）電源的相互轉(zhuǎn)換，也包括交流與交流、直流與直流之間的轉(zhuǎn)換。以DC-DC轉(zhuǎn)換為例，共有三種基本的DC-DC轉(zhuǎn)換器類型，包括非穩(wěn)壓開關(guān)電源或模塊、穩(wěn)壓開關(guān)電源或模塊與芯片級(jí)功率轉(zhuǎn)換器，采用這些電源結(jié)構(gòu)都會(huì)增加控制電路的復(fù)雜性，而前兩種類型還需增加元器件的數(shù)量和解決方案的尺寸。
非穩(wěn)壓電源是相對(duì)簡單的解決方案，這類的解決方案的成本以變壓器為主，數(shù)量合適的話，分立解決方案的成本可低于1.00美元，雖然成本很低，但負(fù)載和溫度范圍內(nèi)的輸出電壓變化可能很大，使得模擬解決方案的選擇將更加困難，所有模擬解決方案都必須具有出色的電源抑制性能，負(fù)載不能快速變化，否則就會(huì)引起電源大幅度改變。因此，非穩(wěn)壓電源的效率可能相當(dāng)高，但電源質(zhì)量很低。
穩(wěn)壓電源和模塊可提供更好的輸出特性，與非穩(wěn)壓電源方案類似，控制器將功率切換到變壓器中。這類方案的電源效率在高負(fù)載下非常好，在低負(fù)載下則很差。有許多有源穩(wěn)壓方案可以提高全負(fù)載范圍內(nèi)的效率，但需要復(fù)雜得多的控制電路，而且大部分方案需要在隔離柵上建立一個(gè)反饋通道，這會(huì)大幅增加設(shè)計(jì)的成本和尺寸。
芯片級(jí)轉(zhuǎn)換器技術(shù)是ADI公司針對(duì)iCoupler?數(shù)字隔離器產(chǎn)品而開發(fā)的，基于該技術(shù)已產(chǎn)生一類新型DC-DC轉(zhuǎn)換器。該技術(shù)非常適合低功耗高性能電源設(shè)計(jì)，由于變壓器非常小，足以集成到采用內(nèi)分引腳架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)IC封裝中，芯片級(jí)功率轉(zhuǎn)換器能夠集成完全穩(wěn)壓DC-DC電源的全部功能，在低負(fù)載情況下具有緊湊型的穩(wěn)壓特性和良好的效率。
芯片級(jí)轉(zhuǎn)換器具有更佳的功率轉(zhuǎn)換優(yōu)勢
大部分設(shè)計(jì)師需要實(shí)現(xiàn)高電源效率的設(shè)計(jì)，非穩(wěn)壓解決方案的效率通常較高，但當(dāng)輸出電壓顯著高于額定值時(shí)，其效率將迅速降低。效率第二的是穩(wěn)壓模塊，它設(shè)計(jì)用于輕負(fù)載，具有良好的特性。然而，當(dāng)對(duì)比芯片級(jí)轉(zhuǎn)換器時(shí)，由于芯片級(jí)轉(zhuǎn)換器集成有源反饋調(diào)節(jié)，其效率能夠更快地上升至最終值，因此，盡管芯片級(jí)解決方案的最大效率較低，它依然是一個(gè)較好的選擇。
尺寸則是這些解決方案下一個(gè)比較點(diǎn)，模塊解決方案在PCB上的面積均為180 mm2，非穩(wěn)壓模塊的高度是10 mm，因此它不僅要占用電路板空間，而且很可能是板上最高的部分，決定模塊的理論外殼尺寸。明智的選擇同樣是采用薄型SSOP20 JEDEC標(biāo)準(zhǔn)封裝、尺寸為55 mm2，并且添加一些旁路電容和兩個(gè)電阻的芯片級(jí)模塊。
模塊式／分立解決方案與芯片級(jí)解決方案的最后一個(gè)區(qū)別因素是工作頻率。開關(guān)電流會(huì)給電源帶來噪聲和紋波。很多情況下，模塊的工作頻率范圍是200 kHz到1 MHz，必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑V波或消除混疊，防止其受到電源噪聲影響。芯片級(jí)解決方案的原邊功率振蕩器的工作頻率在125 MHz，雖然功率振蕩器的PWM控制仍會(huì)引起紋波，但最大噪聲源高于ADC的帶寬，可將其輕松濾除。
小尺寸、完全隔離的集成DC/DC轉(zhuǎn)換器
ADI的芯片級(jí)解決方案ADuM5010，便是一款isoPower集成隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器，基于ADI公司的iCoupler?技術(shù)，能夠提供可在3.15 V和5.25 V之間調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓隔離電源，擁有最高150 mW輸出功率。輸入電源電壓可以略低于所需輸出，也可以遠(yuǎn)高于所需輸出。利用iCoupler芯片級(jí)變壓器技術(shù)，能夠隔離邏輯信號(hào)和DC/DC轉(zhuǎn)換器的磁性組件。因此，可提供小尺寸、完全隔離的解決方案。
ADuM5010采用20引腳SSOP封裝，爬電距離為5 mm，工作溫度最高可達(dá)105℃，具備大于25 kV/μs的高共模瞬變抗擾度，可廣泛應(yīng)用在電源啟動(dòng)偏置和柵極驅(qū)動(dòng)、隔離傳感器接口與工業(yè)PLC。
ADuM5010非常適合隔離模擬輸入的要求，功耗150 mW，并提供一般只有高功率DC-DC轉(zhuǎn)換器才具備的特性組合。在功率與隔離數(shù)據(jù)信道相結(jié)合的系列器件中，此器件是僅提供功率的型號(hào)。該系列還將繼續(xù)推出更高通道數(shù)器件，以便工程師只需進(jìn)行極少的設(shè)計(jì)工作就能安全且輕松地應(yīng)用電源。
ADI也推出ADuM5010評(píng)估套件──EVAL-ADuM5010EBZ，可支持ADuM5010和ADuM6010 150 mW隔離式電源模塊。它可提供JEDEC標(biāo)準(zhǔn)SSOP20焊盤布局，并支持設(shè)置所需的輸出電壓、設(shè)置使能控制，并為板載負(fù)載和旁路電容器提供多個(gè)位置。isoPower器件采用高頻大功率開關(guān)電路來實(shí)現(xiàn)跨芯片級(jí)、空芯變壓器的功率傳輸。該評(píng)估板的PCB和電源模塊能夠滿足CISPER22 Class A或Class B的要求，具體取決于電壓和負(fù)載范圍。
模擬序列發(fā)生器提供可靠的上電和斷電序列
現(xiàn)今的電子應(yīng)用通常需要不止一個(gè)5 V或3.3 V的電源電壓，需要10、20或更多的電壓也很常見。除此之外還有具有相同電壓電平，但必須作為域單獨(dú)生成的電壓域——也就是說，這些電壓必須生成兩次。一個(gè)例子是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)相同的電壓來為模擬和數(shù)字負(fù)載供電。這種分離可以防止相互干擾，并在不同時(shí)間為不同負(fù)載提供能量。
在具有多個(gè)電源電壓的系統(tǒng)中，監(jiān)控不同電壓的能力將很重要。在只有兩個(gè)電壓域的系統(tǒng)中看似微不足道的事情，對(duì)于眾多電壓來說將變得非常復(fù)雜。因此，許多序列發(fā)生器件還必須具有內(nèi)置監(jiān)控器或電壓監(jiān)控功能。
ADI的ADM1186-1模擬序列發(fā)生器IC可以控制和監(jiān)控四個(gè)電壓域，電壓的上電和斷電是通過控制相應(yīng)電壓轉(zhuǎn)換器上的啟用（開／關(guān)）引腳來執(zhí)行的。電壓轉(zhuǎn)換器的開啟時(shí)間，可以通過使用小電容器的時(shí)間延遲進(jìn)行調(diào)整，相應(yīng)的輸出電壓通過相應(yīng)的監(jiān)控引腳進(jìn)行監(jiān)控，建立所有電壓后，序列發(fā)生器電路會(huì)生成電源良好信號(hào)。
ADM1186-1等模擬排序解決方案相當(dāng)易于使用，具有多電壓系統(tǒng)所需的所有功能。它們與數(shù)字序列發(fā)生器的不同之處，在于它們的設(shè)計(jì)不太復(fù)雜，并且系統(tǒng)中需要較少的數(shù)字監(jiān)控功能。例如，他們可以在沒有PMBus或類似協(xié)議的情況下工作。在具有四個(gè)以上電壓域的系統(tǒng)進(jìn)行排序和監(jiān)控時(shí)，可以按順序組合多個(gè)ADM1186-1電路，并且可以將任意數(shù)量的ADM1186-1序列發(fā)生器連接在一起。
ADM1186-1的突出之處在于它還支持上電期間的完整排序，以及在鏈接應(yīng)用中使用時(shí)的斷電，類似的解決方案可以提供鏈接各種排序器IC的可能性，但它們僅提供單個(gè)電壓的受控上升，而不是受控的降序，即在這種菊花鏈鏈接模式中關(guān)閉電壓。
高度可配置、多輸出級(jí)聯(lián)降壓轉(zhuǎn)換器
自從ADI并購了Linear之后，將Linear的電源產(chǎn)品與ADI的電源管理產(chǎn)品相結(jié)合，可為客戶帶來最好的電源方案。像是LTC3372便是一款高度集成的DC-DC轉(zhuǎn)換器解決方案，適用于汽車、電信、工業(yè)和其他需要從高達(dá)60V的輸入電壓獲得多個(gè)低壓軌的應(yīng)用。LTC3372在其耐熱增強(qiáng)型48引腳、7 mm × 7 mm封裝中包含高壓和低壓轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)。高壓（HV）降壓控制器可將高達(dá)60V的輸入電壓降壓至引腳編程的5V或3.3V，然后使用該5V或3.3V輸出為LTC3372的可配置、多輸出、多相供電低壓（LV）單片降壓穩(wěn)壓器。
LTC3372的這個(gè)低電壓部分由八個(gè)1 A、可并聯(lián)的功率級(jí)組成。這些級(jí)可以多種方式排列以提供兩個(gè)、三個(gè)或四個(gè)信道，每個(gè)信道由一到四個(gè)級(jí)組成，具體取決于每個(gè)信道的負(fù)載要求，最多可以實(shí)現(xiàn)設(shè)置八種不同的配置。這種級(jí)別的靈活性允許設(shè)計(jì)人員使用一個(gè)IC來進(jìn)行各種設(shè)計(jì)，同時(shí)使用最少的外部組件和較小的總體占用空間。此外，每個(gè)通道的輸出可設(shè)置為0.8 V至LVIN。開關(guān)頻率范圍為1 MHz至3 MHz。
LTC3372為設(shè)計(jì)人員提供了一個(gè)靈活、高度集成的解決方案，用于從高輸入電壓提供多個(gè)輸出。其HV轉(zhuǎn)換器可以從高達(dá)60 V的輸入電壓提供5 V或3.3 V輸出。從這個(gè)中間軌，單片LV穩(wěn)壓器可以提供多達(dá)四個(gè)輸出，最大輸出電流范圍為1 A至4 A，電壓低至0.8 V。
結(jié)語
功率轉(zhuǎn)換是電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵工作，采用好的功率設(shè)計(jì)與采用合適的功率轉(zhuǎn)換器件，將是產(chǎn)品設(shè)計(jì)成功的基礎(chǔ)。本文介紹的多款A(yù)DI功率轉(zhuǎn)換器件，將可滿足您在不同應(yīng)用的各種需求，值得您進(jìn)一步深入了解與采用。
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