低功耗 DC/DC 转换器受惠于复杂设计

2023-8-4
Circuit diagram with diodes, inductors and capacitors
DC/DC 转换器始于开关技术的发明，发展历史悠久。尺寸小巧紧凑，价格经济实惠是小型 DC/DC 转换器应用的关键，而 RECOM 产品在实现成本和尺寸最佳组合方面处于领先地位，目前的设计包括体积小且功耗低的高功率密度和高效率转换器。请继续阅读，了解低功率 DC/DC 转换器的历史和进步。

目录

在电子电路中将直流电压转换为另一种直流电压，五十多年的历史显示复杂性不断提高，现代设计的 功率密度高 到令人难以置信同时还要相应地提升效率以保持低功耗。RECOM 现在有许多创新的设计，在小封装的低功率转换器上应用了大功率电源的设计技术。

第一种DC/DC 转换解决方案都是低噪声线性设计，容易使用但有两个主要缺点。首先，输出电压必须都要低于输入电压；线性稳压器的效率非常低，以热量的形式耗散大部分所提供的功率。其次，根据输入和输出之间的电压差，线性稳压器的效率可能只有 60% 或者更低。

DC/DC 开关转换器 的发明解决了这两个问题，但需要更加复杂的设计方法。与线性设计相比，开关转换器利用电感和 电容组件的储能特性以分立器件封装形式传输功率。功率脉冲存储在电感器的磁场或电容器的电场之中。
Block diagram of a power supply system
图 1：开关稳压器简化框图（来源：RECOM）
开关控制器确保每个开关周期仅传输负载所需的功率，因此该拓扑非常高效。最好的设计可以实现 97% 或更高的效率。开关DC/DC 转换器的简化框图如图一所示。

图 1 中的开关功能由功率晶体管负责执行，功率晶体管按受控顺序在高效的「开」和「关」状态之间交替。这与线性设计中的连续操作形成对比。DC/DC 开关转换器可以产生高于或低于输入的输出（升压或降压）或将输入电压反向后输出。

输出可以是稳压或非稳压的。非稳压转换器的输出电压随负载电流或输入电压的变化而大幅变化。若是稳压设计，反馈控制回路（虚线）将输出电压反馈到开关块；这会改变开关操作以补偿输出电压偏差，无论这些偏差是由输入电压的变化（例如电池缓慢耗尽）还是负载的变化引起的。

最简单的开关拓扑在输入和输出之间共享一条公共接地电流路径，因此是非隔离的，其中电感组件是电感器。隔离转换器在输入和输出之间有电流隔离，通过变压器相互耦合绕组产生的电磁场传输功率。由于输出与输入电隔离，因此输入电压是否与输出电压极性相同都没有关系。在线性设计中，接地返回电流直接在输入到输出之间流动因此无法隔离，而且只需要三个引脚：Vin、公共接地和 Vout。

低功率 DC/DC 转换器拓扑

更好的性能与更高的成本、更多的复杂性和更大的占位面积密切相关，这几乎是电源设计的事实。小型 DC/DC 转换器的用户非常看重紧凑尺寸和成本效益，那么RECOM 要如何满足他们对低功耗隔离 DC/DC 产品的要求呢？推挽式拓扑广泛用在隔离 DC/DC 转换器。这是一种能够生成更高、更低或反相电压的低成本方式，因为变压器匝数比决定了输出电压。此拓扑结构简单、效率合理且电磁辐射也相对较低。
Circuit diagram of an oscillator with transformer and diodes
图 2：非稳压输出的推挽式 DC/DC 转换器（来源：RECOM）
图 2 为非稳压输出的推挽式隔离 DC/DC 转换器框图。为了节省空间，振荡器和驱动晶体管可以组合在一个专用的推挽式变压器驱动器 IC 之中。对于稳压输出，最简单的方法是在次级侧添加一个与 +Vout 线路串联的线性稳压器，如图 3 所示。这种方法可以达到预期的目标，同时也适合用来设计极低功率的 DC/DC。以 RECOM RYK 系列为例，此系列的线性稳压器提供短路保护和低噪声的稳压输出。
Circuit diagram of an oscillator and voltage regulator
图 3：稳压输出的推挽式 DC/DC 转换器（来源：RECOM）
这类型的设计可以实现大约 65-75% 的效率。功率大于 1W 或 2W 的时候将效率最大化是首要任务，设计需要进一步的改进，因此要从次级侧调节转为初级侧调节。为了代替线性稳压器，输出电压是在次级侧监控，并与目标电压进行比较生成电压差，然后将其发送回初级侧振荡器控制器。

这会调整开关频率以将误差归零。由于这是一个隔离设计，因此误差信号也必须隔离。图 4 为 RECOM 在额定功率 3W 以上的稳压转换器 使用了这种方法，可将效率提升至 85% 左右。
Schematic diagram of an electrical circuit with labeled components
图 4：次级侧误差信号向初级侧控制器提供反馈（来源：RECOM）
输出功率更高的 DC/DC 转换器需要更复杂的方法处理。不仅线性稳压器以上述的方式浪费功率，两个次级侧二极管也是损耗的原因。功率二极管的正向压降通常为 0.5V，这意味着 1A 的功率损耗为 0.5W。

解决方案是由两个 FET 场效应管和一个控制器组成的同步整流器来代替二极管和线性稳压器。
Electrical circuit before and after simplification
图 5：无源整流（左）与同步整流（右）（来源：RECOM）
图 5 对比了这两种方法。FET 在周期的正向部分开启并在周期的反向部分关闭来充当整流器。快速的开关加上约 10mΩ 的极低导通电阻RDS(ON) 使 FET 成为理想的整流器。缺点是它们必须有源驱动，因此需要额外的时序和驱动电路来检测内部电压并正确地打开和关闭两个 FET 以跟输出波形同步。二极管是无源器件，不需要额外的电路即可运作，但同步整流带来的更高效率足以抵消为了追求高输出电流转换器而提高的成本复杂性。

RECOM 的 RP20 系列 20W DC/DC 转换器使用同步整流器，效率高达 89%。该设计还包括前述的隔离误差信号。最后，图 6 的 RP20 可在很宽的负载范围内实现 85-89% 的效率。
Schematic representation of an isolated DC/DC converter
图 6：RP20 采用多种设计技术提高效率（来源：RECOM）

结论

从大功率电源设计借鉴的设计技术正运用在极小功率的 DC/DC 转换器以达到更高的效率。由于客户随着功率水平的增加而改变需求的优先顺序，因此必须进行适当的改变。RECOM 则是提供成本和尺寸最佳组合的设计的引领者。
应用
  系列
1 DC/DC, 1.0 W, Single Output, THT RYK Series
重点
  • 低成本
  • 1:1 输入电压范围
  • 效率最高可达 81%
  • 4 kVDC/1 s 隔离电压
2 DC/DC, 20.0 W, THT RP20-A Series
  • 2:1 输入电压范围
  • 1.6 kVDC 隔离电压
  • 通过 UL 认证
  • 效率最高可达 91%
3 DC/DC, 20.0 W, THT RP20-AW Series
  • 4:1 宽输入电压范围
  • 1.6 kVDC 隔离电压
  • 通过 UL 认证
  • 效率最高可达 90%
4 DC/DC, 20.0 W, THT RP20-F Series
  • 2:1 输入电压范围
  • 1.6 kVDC 隔离电压
  • 通过 UL 认证
  • 效率最高可达 89%
5 DC/DC, 20.0 W, THT RP20-FR Series
  • 4:1 宽输入电压范围
  • 2.25 kVDC 隔离电压
  • 效率最高可达 89%
  • 六面连续屏蔽
6 DC/DC, 20.0 W, THT RP20-FW Series
  • 4:1 宽输入电压范围
  • 1.6 kVDC 隔离电压
  • 通过 UL 认证
  • 效率最高可达 89%