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模块化 DC/DC 转换器有什么好处

2018-08-20
关键词: 电路 控制器 FPGA DSP

  复杂的现代电路通常包含大量元器件,例如微控制器、IC、DSPFPGA 等。每个元器件均具有特定的供电电压要求。由共享“中央”电源和大量局部转换器模块构成的分布式电源系统,成为能够满足这种要求的最高能效解决方案。直到最近,制造商才开始选用分立器件,尤其是在需要大量使用时。由于全面认证型模块的价格稳步下降,该等产品现已成为可行的替代品。当前这种经济实惠的模块几乎适用于任何应用。

  人们早已认识到模块化 DC/DC 转换器具有更高的能效和可靠性,但因其高成本,制造商并未在设计中使用这种转换器,尤其是在需要大量转换器时。尽管开发成本仍在增加,但认证型模块的价格相较于前几年已有大幅下降。此外,如果考虑产品上市时间等其他问题,模块化转换器通常是时下较为划算的选择。

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  虽然大多数制造商已在电路中使用采购的开关模式电源,但他们通常对于在设计中使用第三方 DC/DC 转换器仍然有所迟疑。其中有两个主要原因:一方面是 DC/DC 转换器以低直流电源工作,属于相对简单的元器件;另一方面是,它们构成了印刷电路板的一部分,所以最好采用一种工艺与其他元器件一起贴装。

  初看起来,开发转换器似乎是一项相对简单的工作。但这是一种错觉,因为通常表面看起来简单的器件,细节中最容易出现问题。设计 DC/DC 转换器时,模拟技术的一些特性通常会引发很棘手的问题。例如,印制线会产生不存在于电路图中的电容或电感,这些电容或电感通常无法预测。此外,变压器的性能不仅受铁氧体材料影响,还取决于器件工作的磁滞回线范围。这会产生高水平干扰,可能需要重复二次设计。最终导致产品发布推迟,有时会推迟几个月。而制造商选择现成的模块,不仅缩短开发时间,同时还将商业风险降至最低。

  转换器模块高效且实用

  专业供应商为转换器模块带来的另一巨大优势是高效和出众的可靠性,这些模块已得到数以千计应用的验证。现代设计通常需要大量转换器,所以建议开发人员应密切关注每个此类元件的能效。大型转换器通常以超过 90% 的能效等级工作,而使用 1 W 至 2 W 范围的小型 DC/DC 转换器难以实现这种额定能效,因为每个转换器具有固定的静态功耗,而小型转换器的此类功耗比率比大型转换器相对更高。因此根据实际的功率和拓扑,经优化的 DC/DC 转换器能效约为 85% 至 92%。

  但在这种情况下,仅关注满负载时的绝对额定能效,而不考虑较低负载范围的能效,会有一定的危险。一般来说,所有转换器以接近额定负载工作时,可以达到最高能效。负载越低,则能效越低。但设计精良的转换器具有稳定的高能效,尤其在重要的中到低负载范围内。

  对指甲大小的新型 R1SX-0505 1 W 转换器进行测试,并与相同额定功率的定制转换器比较进行,两者在能效方面存在巨大差别。满负载时,定制设计型号已达到约 70% 的可接受能效水平。但在半负载时,能效降至略高于 55% 的水平,而 RECOM 模块即使在半负载时也可以达到 72% 的能效,高出了 17 个百分点(图 1)。定制设计的器件功率损耗为 409 mW,比损耗为 195 mW 的 R1SX 高出一倍还多。在这种情况下,选择“现成的”模块不仅可以降低能源消耗,还可以降低 PCB 上的热负载。

  模块化转换器的其他优点

  此外,模块化转换器在尺寸和功率密度方面绝对领先。由于电路越来越复杂,因此 PCB 上的小型基底面展现出了巨大优势。通常,RECOM 模块中的分立转换器仅占据一半空间。这是一项巨大优势,因为 PCB 上的空间越来越紧缺。

  模块化转换器在材料管理方面也具有重要优势。生产定制转换器需要的环形变压器、铁氧体磁芯、扼流圈和晶体管等零件,均为高度专业元器件,通常内部零件清单中没有。购买“现成的”模块,可以简化零件清单并使之易于管理。

  最后,使用认证型元器件也能够极大地加速最终产品的认证。为避免麻烦,在设计过程中应尽早考虑解决最终障碍。作为该领域的领先制造商,RECOM 又向前推进了一步,在提交认证之前,向客户提供在内部 EMC 实验室测试产品的选择。

  结论

  如果仅比较元器件的成本,分立转换器的价格一般会低于采购模块的价格。但当考虑开发、测试和认证成本时,将会出现不同的情况。 而实际上模块化转换器的价格已较前几年有大幅度下降。

  这些模块采用全自动化生产工艺,具有极高的紧凑性和可靠性。例如,可以在温度 -40°C 至 +100°C,满负载时工作,其隔离电容比竞争产品高出约 40 倍。这些转换器可用于 3.3 V 或 5 V 的输入/输出电压,具有 1 kVDC 或 3 kVDC 隔离。该系列获 IEC/UL/EN 62368-1 和 UL 60950-1 全面认证,并提供三年质保。