设计更高电压 DC/DC 开关稳压器所面临的挑战

由于 SMD 电源模块的市场需求，RECOM 推出了 RPM 系列紧凑型薄款 SMD 开关稳压器。RPM 系列提供全功能型电源构建模块，其采用的开关稳压器控制器 IC、功率电感器、电压调节电阻以及输入输出电容器均集成在一个独立器件中，全部采用标准尺寸的轻薄金属外壳，引脚排列与 DOSA 兼容。该系列包含五种不同的低电压产品（RPMxx-1.0、RPMxx-2.0、RPMxx-3.0、RPMxx-6.0 和 RBB10-2.0），经过进一步扩展后，新增了三个更高电压的产品系列（RPMBxx-2.0、RPMBxx-3.0 和 RPMHxx-0.5），用以处理更高的输入和输出电压。新增产品系列占位面积或外壳尺寸不变，从而可以从现有设计轻松升级。

然而，新推出的 RPMH 和 RPMB 产品系列并不是现有 RPM 产品系列的简单修改。 虽然外观相同，但内部却有很大差异。本白皮书探讨了一些针对设计和元器件选择的决策，分别应对 36 VDC 或 65 VDC 的更高输入电压以及 24 VDC 的更高输出电压和 3 A 负载电流。

长期以来，开关稳压器 一直都是将直流电源轨有效转换为更低或更高电压的主力设备，无论是直接用于负载，还是作为分布式电源架构的组成部分。在二十世纪五十年代的最初设计中采用了真空管，与其他可供选择的“线性稳压器”方法相比，转换效率有了显著提高，同时为提升直流电压开辟了可能性，而在此之前，只能通过笨重的机械“振动器”来实现升压。直到二十世纪七十年代，第一款采用“电压模式”控制的开关电源 IC 控制器 Silicon General SG1524 才问世。

这款设备成功替代了使用不同控制和转换技术的设备。如今，有许多拓扑和控制方法可供选择；例如，同步与异步，最小导通时间与最小关断时间，平均与逐周期电流控制，或轻负载脉冲跳跃的固定频率与变频设计等。虽然每种拓扑都有各自的优点和不足，但主功率级元器件、开关晶体管、电感器和输出电容器的选型和规格，仍然是在所有工作条件下实现最佳性能和最低损耗的关键。

衡量开关稳压器发展的一个指标是其转换效率 - 多年来，这个数字一直在稳步攀升，从 70-80% 左右上升到 97%，在最新设计中甚至更高。效率越高，支持的功率密度就越高，功率密度测量单位为瓦特/单位体积，表示在转换器没有过热的前提下，给定空间内可以输出多少功率。功率密度的这种提高主要归因于集成度的提高；低 RDS (ON) 开关晶体管通常与控制器芯片一起集成在同一封装中，电感器也越来越多地采用板载方式。故障监控、均流、同步和时序控制等外设功能也越来越多地融入到控制器 IC 设计中。此外，开关频率也从几百千赫兹上升到 1 兆赫或更高。提高开关频率可以使用更小尺寸的元器件，但会增加功耗，提高 EMI 等级。设计挑战是在物理尺寸、散热性能和 EMC 滤波器成本之间找到最佳平衡。

RPMBxx-2.0 和 RPMBxx-3.0 分别相当于电压更高的 RPMxx-2.0 和 RPMxx-3.0。连续输入电压最高可达 36 VDC，短时电压可高达 38 VDC，不会对开关稳压器造成永久性损坏。这一输入电压范围允许使用常见的 24 VDC 工业总线电源电压，可适应任何高达 150% 的过电压和浪涌 - 在使用长电缆线路的重工业装置中，有时会发生这种情况。该输入电压范围还支持使用未经调节的 24 V 电池备份系统，以在断电期间保持系统运行。

输入电压越高，产生的输出电压也越高。RPM 系列限于 3.3 V 或 5 V 标称输出电压，可调范围为 0.9 V 至 6 V，这是标称 12 V 电源轨的实际用途。但是，当输入电压范围高达 36 V 时，RPMB 系列还提供可调范围为 9 V 至 24 V 的 12 V 或 15 V 输出电压，以及可调范围为 1 V 至 9 V 的 3.3 V 或 5 V 输出电压，从而使 RPMB 系列的用途更广。例如，3.3 V 版本可以与 5 V、12 V、24 V 或 36 V 的电源搭配使用，使其成为通用型输入电源模块。

因此，对于 24 V 的输入电压和 5 V 的输出电压，占空比大约为 21%。如果输出电压增加到 15 V，占空比将增加到 64% 左右。最差的情况是 36 V 输入电压和 3.3 V 输出电压（最小占空比约为 10%）以及 16 V 输入电压和 15 V 输出电压（最高占空比约为 94%）。

电感值由以下更为复杂的关系确定：


我们可以通过这个等式了解两点：

1. 输入与输出之间的差值越大，所需电感越大。
2. 开关频率越高，所需电感越小。

因此，对于固定工作频率和最大负载电流以及同样的 36 V 最大输入电压的情况，与较高输出电压相比，较低输出电压所需的电感值更大。

对于 RPMBxx-3.0，3.3 V 和 15 V 输出电压的电感值相差 7 倍，因此有必要使用两个不同的电感值；一个值用于 1 V 至 9 V 的较低输出电压，另一个值用于 9 V 至 24 V 的较高输出电压。

选择 48 VDC 作为工业总线电源电压的趋势在日益增长，因为 48 V 电源比标准 24 V 工业电源电压更具吸引力，其原因如下：

1. 更高效。电线中的功率损耗与流经电线的电流的平方成正比，因此，如果将电源电压从 24 V 提高到 48 V，在使用相同的电源电缆的情况下，可以为四倍以上数量的设备供电。无需重新布线电源电缆，即可对现有工厂进行升级。
2. 更安心。轻型混合动力电动汽车（例如配备小型燃油发动机的城市汽车，其使用额外的电动机来提升速度，并支持短途行驶完全由电池供电）的推广，意味着 48 V 锂电池组的成本已大幅下降。与等效的铅酸电池供电系统相比，这些免维护的 48 V 锂离子电池体积更小、重量更轻、价格更便宜。
3. 安全。使用 48 VDC 电源运行工业机械设备，意味着系统仍归类为安全超低电压 (SELV)，不需要额外绝缘和防电击保护措施。这可以大大降低重工业应用中的安装成本，与使用市电供电的设备相比，重工业应用需要比 24 V 电源更多的电力。

汽车级 48 V 锂电池组的输出电压由 LV148 规范指定：


通过 LV148 规范可以了解到，任何由 48 V 锂电池组供电的降压稳压器需要的输入电压范围是……