不断发展的DC-DC转换器

2020-07-23

DC-DC转换器是现代電(diàn)子電(diàn)源的核心。它提供了从一个電(diàn)压電(diàn)平到多(duō)个其他(tā)電(diàn)压電(diàn)平的转换。dc-dc转换器既可(kě)以作為(wèi)您自己设计的核心IC，又(yòu)可(kě)以作為(wèi)模块和积木(mù)使用(yòng)（请参阅本文(wén)末尾的“积木(mù)是什么？”）。后两种类型通过提供可(kě)以集成到较大電(diàn)源的产品来消除大量的原始设计。

多(duō)年来，dc-dc转换器已成為(wèi)设置和维持工作電(diàn)压并提高效率同时增加功率密度的主要组件。古老设备的摘要更新(xīn)说明了它如何进行更改以满足多(duō)种驱动因素。

当今的電(diàn)源系统使用(yòng)两种主要类型的體(tǐ)系结构：分(fēn)布式體(tǐ)系结构和中间总線(xiàn)體(tǐ)系结构。图1a示出了分(fēn)布式布置。传统的AC-DC電(diàn)源会生成一条主DC总線(xiàn)，该总線(xiàn)已分(fēn)配到设备的所有(yǒu)部分(fēn)。IC和其他(tā)设备所需的DC電(diàn)压由负载点（POL）DC-DC转换器/调节器产生。

示出了分(fēn)布式总線(xiàn)架构（a）和中间总線(xiàn)架构（b）。

中间总線(xiàn)布置如图1b所示。交流電(diàn)源的主直流配電(diàn)总線(xiàn)连接到每个主要子系统或产生中间总線(xiàn)的印刷電(diàn)路板（PCB）中的DC-DC转换器。从那里，POL DC-DC转换器接管，為(wèi)负载创建单独的電(diàn)源電(diàn)压。

趋势与目标

dc-dc转换器规格和功能(néng)有(yǒu)几个主要驱动因素。这些驱动因素是当今影响電(diàn)源设计的趋势：

较低的電(diàn)源電(diàn)压：大型MPU，FPGA和ASIC越来越多(duō)地采用(yòng)了极低的内核電(diàn)源電(diàn)压。電(diàn)压范围為(wèi)0.6至1.8V。与此同时，从这些器件汲取的電(diàn)流已从数十安培急剧增加到数百安培。一些新(xīn)设备在1 V或更低的電(diàn)压下工作，而消耗的電(diàn)流超过500A。

更高的效率：减少能(néng)耗和降低热量水平的努力已将效率推到了优先事项的首位。

过渡到48 V：電(diàn)源总線(xiàn)電(diàn)压通常為(wèi)12 V，但已使用(yòng)5、24、28和36 V总線(xiàn)。一个主要趋势是在48 V上实现标准化。这种更高的電(diàn)压具有(yǒu)多(duō)项优势，包括提高效率和减少I 2 R损耗。较高的電(diàn)压会降低相同功率水平下的電(diàn)流。结果是功耗降低了16倍。许多(duō)新(xīn)产品和系统正在过渡到48 V，例如電(diàn)动工具，工业设备（例如机器人）和叉車(chē)。数据中心是48V系统的主要采用(yòng)者。而且，当然，汽車(chē)正在逐渐向48V系统过渡，以补充现有(yǒu)的12V系统。

增加的功率密度：所有(yǒu)设计人员似乎都希望在更小(xiǎo)的封装中实现上述功能(néng)。但是，很(hěn)难实现功率密度的提高。一种常见的方法是使用(yòng)较高的开关频率，以减小(xiǎo)電(diàn)感器和電(diàn)容器的尺寸。将所有(yǒu)这些组件和模块放在较小(xiǎo)的空间中会产生散热问题。巧妙的机械包装可(kě)以很(hěn)大程度地减少此问题。

提高可(kě)靠性：应该实现所有(yǒu)这些目标，但是保持或提高设备的可(kě)靠性是设计人员面临的另一个关键挑战。

当前電(diàn)源设计的一个很(hěn)好的例子是云存储和计算业務(wù)的快速且巨大的增長(cháng)。这导致主要参与者（Amazon，IBM，Microsoft等）的数据中心添加了更多(duō)机架服務(wù)器。这一增長(cháng)增加了数千台新(xīn)服務(wù)器，在某些情况下还增加了一百万台服務(wù)器。

由于能(néng)耗很(hěn)高，因此还需要降低電(diàn)气服務(wù)成本，以降低数据中心的热量水平并降低空调成本。更高的效率将有(yǒu)助于控制能(néng)源成本，而较小(xiǎo)的包装则可(kě)為(wèi)数据中心提供更多(duō)空间以供将来扩展。

其他(tā)一些趋势和目标是：

增加使用(yòng)GaN晶體(tǐ)管等宽带隙器件来提高效率。

通过更多(duō)3D设计改进了包装。

越来越多(duō)地使用(yòng)功率因数校正（PFC）。

降低空载功耗。

越来越多(duō)地使用(yòng)電(diàn)源管理(lǐ)。

能(néng)源管理(lǐ)

電(diàn)源管理(lǐ)是指使用(yòng)DC-DC转换器的数字控制来优化产品或系统中的電(diàn)源传输并提供保护。電(diàn)源管理(lǐ)IC或子系统调节，控制和分(fēn)配产品電(diàn)源。一些電(diàn)源管理(lǐ)芯片包括两个或多(duō)个dc-dc转换器，也许还包括一些LDO。转换器还可(kě)以包括用(yòng)于在更高的電(diàn)压和/或更高的電(diàn)流下使用(yòng)外部MOSFET功率器件的驱动器。

另一个功能(néng)是電(diàn)源监视和控制電(diàn)路。这些電(diàn)路可(kě)测量和数字化输入和输出電(diàn)压，電(diàn)流以及内部和外部温度。其他(tā)控件可(kě)能(néng)涉及设置来自外部電(diàn)源的输出電(diàn)压的能(néng)力。过压和过流检测提供信号以关闭设备，以防止损坏。

大多(duō)数電(diàn)源管理(lǐ)IC都包含一个PMBus通信端口，以提供外部编程以及监视和控制功能(néng)。PMBus是流行的I 2 C串行接口的变體(tǐ)。

一些使用(yòng)最广泛的電(diàn)源管理(lǐ)芯片是用(yòng)于监视状态并提供反馈的手机中的那些芯片。这样的芯片还包括電(diàn)池充電(diàn)器和其他(tā)電(diàn)池相关的電(diàn)路。

特殊用(yòng)途的DC-DC转换器

DC-DC转换器可(kě)实现各种应用(yòng)，几乎是当今生产的每种電(diàn)子产品内部都有(yǒu)一个或多(duō)个它们。但是，它们出现在一些非常不寻常的产品，设备和系统中。

这些特殊情况之一就是用(yòng)于种植珊瑚的系统。研究人员创建了一个系统，其中在将两个電(diàn)极浸入海水中的同时在两个電(diàn)极之间施加精确的1.2至4 V直流電(diàn)压，从而导致碳酸钙（石灰石）的生長(cháng)。这种石灰石支持珊瑚的生長(cháng)并加快了进程。

大型系统可(kě)以部署在珊瑚全部或部分(fēn)枯竭的近海區(qū)域。这种用(yòng)于海上部署的大规模系统需要重型，高输出DC-DC转换器。在太阳，风或波浪作用(yòng)的驱动下，DC-DC转换器会将高電(diàn)流馈入海水中以产生石灰石。