尖端技術(shù)導(dǎo)入低功率DC/DC轉(zhuǎn)換器

低功率板載 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的制造技術(shù)，發(fā)展得比其他電子產(chǎn)品來(lái)得緩慢且獨(dú)立。幾十年來(lái)，典型的轉(zhuǎn)換器一直是通孔封裝的模塊或開(kāi)放式表面貼裝的「子板」，雖然新產(chǎn)品持續(xù)推出，但引腳布局和外形尺寸從 1980 年代開(kāi)始就沒(méi)有改變。但在其他地方例如接口、A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換器等其他功能塊不斷從分立式解決方案發(fā)展成更小的「芯片」，高度只有幾分之一毫米、占地面積僅比內(nèi)部裸片大一點(diǎn)，現(xiàn)在裸片在幾何空間上的走線能達(dá)到納米級(jí)別。

為什么DC/DC沒(méi)有跟上小型化趨勢(shì)？

DC/DC 只是有源和無(wú)源組件集合在一起，那為什么它們沒(méi)有成為另一個(gè)集成電路然后以相同的方式縮小呢？一個(gè)原因是它們運(yùn)作時(shí)功耗通常很高，需要一些表面積散熱，但隨著新轉(zhuǎn)換技術(shù)的效率提高這已不再是問(wèn)題。主要原因是大多數(shù)轉(zhuǎn)換器所需的磁性組件，在幾十年來(lái)一直堅(jiān)持使用相同的制造技術(shù)和擁有大致相同的尺寸。相較之下，臺(tái)積電 (TSMC) 在1988 年提供的IC 幾何尺寸為 3μm，而如今的尺寸比當(dāng)時(shí)縮小了一千倍達(dá)到3nm。在同一時(shí)期，利用置件機(jī)的分立式表面貼裝無(wú)源組件的尺寸也從 1206 縮小到 01005，占地面積減少了 50 多倍。相反的是自 80 年代以來(lái)，DC/DC 轉(zhuǎn)換器變壓器和扼流圈的磁芯尺寸幾乎沒(méi)有變化，這是由材料固有的最大磁通密度和開(kāi)關(guān)頻率決定，然后決定了最小繞組匝數(shù)。這是幾代電源工程師的貢獻(xiàn)，新的轉(zhuǎn)換拓?fù)?、更好的組件和先進(jìn)的熱設(shè)計(jì)降低了損耗并提高了功率密度。這讓 DC/DC 模塊有更高的輸出功率，以未穩(wěn)壓的 SIP7 轉(zhuǎn)換器為例，輸出功率可能僅提高了 3 倍（圖 1）。

圖 1：這幾十年來(lái)低功率 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的功率密度僅提高了幾倍。左邊為1W，右邊3W，皆為 SIP7封裝。

優(yōu)化磁芯的選擇

我們一直都有增加開(kāi)關(guān)頻率來(lái)縮小功率轉(zhuǎn)換磁體的選擇，通常會(huì)是藉由降低磁芯尺寸、繞組匝數(shù)或兩個(gè)都采用的方式達(dá)到。然而隨著開(kāi)關(guān)頻率的提升會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體效率下降和磁芯損耗增加，因此在不升高內(nèi)部溫度的情況下整體外殼尺寸不一定會(huì)縮小。解決方法是設(shè)計(jì)更加復(fù)雜的轉(zhuǎn)換器取得高效率，但這個(gè)方式過(guò)于昂貴。

轉(zhuǎn)換器磁性部件的制造成本通常相對(duì)高昂也較難安裝，法拉第所熟悉的組裝技術(shù)至今幾乎沒(méi)有太多變化，也就是在磁芯上纏繞絕緣線然后將「飛線」焊接在基板上（圖 2）。絕緣骨架通常占用太多空間，而印刷繞組技術(shù)也不切實(shí)際因?yàn)榭紤]到所需的繞組匝數(shù)和數(shù)量再加上多層基板的成本太高，至少對(duì)低功率產(chǎn)品而言是如此。

圖 2：低功率 DC/DC 轉(zhuǎn)換器應(yīng)用和端接變壓器的傳統(tǒng)做法。絕緣線徑為0.18mm，磁芯外徑6mm，內(nèi)徑3mm

制造商選擇簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)以降低零件成本

大多數(shù)低功率 DC/DC 轉(zhuǎn)換器制造商采取的方法是盡量設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的電路和降低成本，例如使用傳統(tǒng)的「Royer電路」（圖 3）。節(jié)省下來(lái)的錢(qián)抵消了昂貴的人力成本，包括人工繞線和焊接到雙面 PCB，之后再進(jìn)行密封或包覆成型以保護(hù)易受損的端子。電路和裝配技術(shù)在這些年來(lái)得到了改進(jìn)，因此一個(gè)簡(jiǎn)單的非穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器可能只使用大約 10 個(gè)分立組件，穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器則使用 15 個(gè)。變壓器和組裝模塊在低成本的地方制造，最終產(chǎn)品相當(dāng)高效，提供隔離、寬工作溫度范圍，可在固定電平之間進(jìn)行相當(dāng)精確的電壓轉(zhuǎn)換。人工組裝的一個(gè)好處是比較容易針對(duì)不同的輸入或輸出電壓和額定功率生產(chǎn)出不同的版本，只需操作員增加或減少繞線圈數(shù)以達(dá)指定匝數(shù)。

圖 3：「Royer電路」讓隔離式轉(zhuǎn)換器擁有最少的組件數(shù)

這種方法也有不可避免的缺點(diǎn)。人工組裝會(huì)讓樣品之間產(chǎn)生差異，而且難以為簡(jiǎn)單電路提供全面性的故障保護(hù)。如果沒(méi)有更復(fù)雜的電路、更高的成本和更大的外殼，那么將隔離加強(qiáng)到安全認(rèn)證級(jí)別是不切實(shí)際的。基本的 Royer 轉(zhuǎn)換器沒(méi)有線性或負(fù)載穩(wěn)壓，輸出電壓在負(fù)載很輕或無(wú)負(fù)載時(shí)顯著上升。除此之外，雖然最終客戶希望價(jià)格下降，但人力成本只會(huì)隨著時(shí)間的推移增加，而且人力因素甚至不會(huì)隨著產(chǎn)量的增加而減少。與此同時(shí)，市場(chǎng)面臨著增加功能和效率以及縮小電源轉(zhuǎn)換器尺寸以應(yīng)對(duì)現(xiàn)代應(yīng)用空間受限的壓力。

努力達(dá)到最好

電源設(shè)計(jì)人員有一個(gè)夢(mèng)想來(lái)打破這個(gè)模式，就是將控制 IC 與各種功能結(jié)合在一起，包括高頻和高效運(yùn)作、可選的有源調(diào)節(jié)和全面保護(hù)，然后在變壓器多層基板上使用貼片式平面磁芯和印刷繞組等技術(shù)。由于多了必要的支持組件，因此IC 解決方案和嵌入式變壓器的零件成本明顯比簡(jiǎn)單的 Royer 電路來(lái)得高，但卻有了更靈活的自動(dòng)化裝配和規(guī)模經(jīng)濟(jì)，滿足市場(chǎng)對(duì)更好性能和一致性的要求，功率密度也更高且成本保持不變。

RECOM就是利用這個(gè)方法，他們將這個(gè)尖端技術(shù)引進(jìn)低功率 DC/DC 轉(zhuǎn)換器成為「K」系列。我們將巨額資金投入在自動(dòng)化生產(chǎn)以大幅降低人力成本，并使用大量基板和組件以將零組件成本降至最低。同時(shí)，創(chuàng)新的設(shè)計(jì)技術(shù)允許制造過(guò)程中輕松配置產(chǎn)品以滿足不同變體的需求。

以市場(chǎng)上的新品為例

一個(gè)采用新技術(shù)產(chǎn)品的例子是RECOM RKK 系列，集成了控制器和平面變壓器以提高性能并實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化組裝。該公司為了兼容性決定保留SIP7 封裝，并將該部件的額定功率定在 1W，利用提高效率擴(kuò)展工作溫度范圍，目前不降額時(shí)最高可達(dá) 105°C 。1W 的額定功率適合很多應(yīng)用，通常是為隔離式通信接口或高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器供電。更寬的溫度范圍開(kāi)辟了更廣闊的市場(chǎng)，例如高規(guī)格工業(yè)和汽車(chē)業(yè)。與早期產(chǎn)品相比，RKK 系列的差異和增強(qiáng)性能總結(jié)（圖 4）。隨著銷(xiāo)售價(jià)格降低，銷(xiāo)量顯著提高。雖然新產(chǎn)品未穩(wěn)壓，但對(duì)輸入電壓變化有一定程度的補(bǔ)償，例如 +/-10% 的輸入電壓變化的輸出變化小于 +/-5%。另一個(gè)特點(diǎn)是部件不需要封裝，這樣既可以減輕重量又可以降低成本。該系列有一個(gè)版本提供后置穩(wěn)壓輸出能滿足高精度需求。

圖4：基本 Royer 和 RECOM RKK 系列 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的差異和性能一覽表

新的進(jìn)展

RECOM 的新技術(shù)理念也應(yīng)用在非隔離 DC/DC轉(zhuǎn)換器，升級(jí)了廣受歡迎的 R-78 系列直接替代線性穩(wěn)壓器。升級(jí)更名為 R-78K的穩(wěn)壓器效率提高至 96%，輸入范圍擴(kuò)展至 36V，不降額工作溫度達(dá) 90°C。

更多的 RECOM 產(chǎn)品將升級(jí)為「K版」，以順應(yīng)使用先進(jìn)的電路和制造技術(shù)取代簡(jiǎn)單的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的趨勢(shì)，還不會(huì)增加成本。請(qǐng)隨時(shí)關(guān)注我們的新產(chǎn)品「razor」動(dòng)態(tài)信息，提早享受「尖端」科技帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。