復(fù)雜的現(xiàn)代電路通常包含大量元器件,例如微控制器、IC、DSP 和 FPGA 等。每個元器件均具有特定的供電電壓要求。由共享“中央”電源和大量局部轉(zhuǎn)換器模塊構(gòu)成的分布式電源系統(tǒng),成為能夠滿足這種要求的最高能效解決方案。直到最近,制造商才開始選用分立器件,尤其是在需要大量使用時。由于全面認(rèn)證型模塊的價格穩(wěn)步下降,該等產(chǎn)品現(xiàn)已成為可行的替代品。當(dāng)前這種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的模塊幾乎適用于任何應(yīng)用。
人們早已認(rèn)識到模塊化 DC/DC 轉(zhuǎn)換器具有更高的能效和可靠性,但因其高成本,制造商并未在設(shè)計中使用這種轉(zhuǎn)換器,尤其是在需要大量轉(zhuǎn)換器時。盡管開發(fā)成本仍在增加,但認(rèn)證型模塊的價格相較于前幾年已有大幅下降。此外,如果考慮產(chǎn)品上市時間等其他問題,模塊化轉(zhuǎn)換器通常是時下較為劃算的選擇。
雖然大多數(shù)制造商已在電路中使用采購的開關(guān)模式電源,但他們通常對于在設(shè)計中使用第三方 DC/DC 轉(zhuǎn)換器仍然有所遲疑。其中有兩個主要原因:一方面是 DC/DC 轉(zhuǎn)換器以低直流電源工作,屬于相對簡單的元器件;另一方面是,它們構(gòu)成了印刷電路板的一部分,所以最好采用一種工藝與其他元器件一起貼裝。
初看起來,開發(fā)轉(zhuǎn)換器似乎是一項(xiàng)相對簡單的工作。但這是一種錯覺,因?yàn)橥ǔ1砻婵雌饋砗唵蔚钠骷?,?xì)節(jié)中最容易出現(xiàn)問題。設(shè)計 DC/DC 轉(zhuǎn)換器時,模擬技術(shù)的一些特性通常會引發(fā)很棘手的問題。例如,印制線會產(chǎn)生不存在于電路圖中的電容或電感,這些電容或電感通常無法預(yù)測。此外,變壓器的性能不僅受鐵氧體材料影響,還取決于器件工作的磁滯回線范圍。這會產(chǎn)生高水平干擾,可能需要重復(fù)二次設(shè)計。最終導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)布推遲,有時會推遲幾個月。而制造商選擇現(xiàn)成的模塊,不僅縮短開發(fā)時間,同時還將商業(yè)風(fēng)險降至最低。
轉(zhuǎn)換器模塊高效且實(shí)用
專業(yè)供應(yīng)商為轉(zhuǎn)換器模塊帶來的另一巨大優(yōu)勢是高效和出眾的可靠性,這些模塊已得到數(shù)以千計應(yīng)用的驗(yàn)證?,F(xiàn)代設(shè)計通常需要大量轉(zhuǎn)換器,所以建議開發(fā)人員應(yīng)密切關(guān)注每個此類元件的能效。大型轉(zhuǎn)換器通常以超過 90% 的能效等級工作,而使用 1 W 至 2 W 范圍的小型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器難以實(shí)現(xiàn)這種額定能效,因?yàn)槊總€轉(zhuǎn)換器具有固定的靜態(tài)功耗,而小型轉(zhuǎn)換器的此類功耗比率比大型轉(zhuǎn)換器相對更高。因此根據(jù)實(shí)際的功率和拓?fù)洌?jīng)優(yōu)化的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器能效約為 85% 至 92%。
但在這種情況下,僅關(guān)注滿負(fù)載時的絕對額定能效,而不考慮較低負(fù)載范圍的能效,會有一定的危險。一般來說,所有轉(zhuǎn)換器以接近額定負(fù)載工作時,可以達(dá)到最高能效。負(fù)載越低,則能效越低。但設(shè)計精良的轉(zhuǎn)換器具有穩(wěn)定的高能效,尤其在重要的中到低負(fù)載范圍內(nèi)。
對指甲大小的新型 R1SX-0505 1 W 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行測試,并與相同額定功率的定制轉(zhuǎn)換器比較進(jìn)行,兩者在能效方面存在巨大差別。滿負(fù)載時,定制設(shè)計型號已達(dá)到約 70% 的可接受能效水平。但在半負(fù)載時,能效降至略高于 55% 的水平,而 RECOM 模塊即使在半負(fù)載時也可以達(dá)到 72% 的能效,高出了 17 個百分點(diǎn)(圖 1)。定制設(shè)計的器件功率損耗為 409 mW,比損耗為 195 mW 的 R1SX 高出一倍還多。在這種情況下,選擇“現(xiàn)成的”模塊不僅可以降低能源消耗,還可以降低 PCB 上的熱負(fù)載。
模塊化轉(zhuǎn)換器的其他優(yōu)點(diǎn)
此外,模塊化轉(zhuǎn)換器在尺寸和功率密度方面絕對領(lǐng)先。由于電路越來越復(fù)雜,因此 PCB 上的小型基底面展現(xiàn)出了巨大優(yōu)勢。通常,RECOM 模塊中的分立轉(zhuǎn)換器僅占據(jù)一半空間。這是一項(xiàng)巨大優(yōu)勢,因?yàn)?PCB 上的空間越來越緊缺。
模塊化轉(zhuǎn)換器在材料管理方面也具有重要優(yōu)勢。生產(chǎn)定制轉(zhuǎn)換器需要的環(huán)形變壓器、鐵氧體磁芯、扼流圈和晶體管等零件,均為高度專業(yè)元器件,通常內(nèi)部零件清單中沒有。購買“現(xiàn)成的”模塊,可以簡化零件清單并使之易于管理。
最后,使用認(rèn)證型元器件也能夠極大地加速最終產(chǎn)品的認(rèn)證。為避免麻煩,在設(shè)計過程中應(yīng)盡早考慮解決最終障礙。作為該領(lǐng)域的領(lǐng)先制造商,RECOM 又向前推進(jìn)了一步,在提交認(rèn)證之前,向客戶提供在內(nèi)部 EMC 實(shí)驗(yàn)室測試產(chǎn)品的選擇。
結(jié)論
如果僅比較元器件的成本,分立轉(zhuǎn)換器的價格一般會低于采購模塊的價格。但當(dāng)考慮開發(fā)、測試和認(rèn)證成本時,將會出現(xiàn)不同的情況。 而實(shí)際上模塊化轉(zhuǎn)換器的價格已較前幾年有大幅度下降。
這些模塊采用全自動化生產(chǎn)工藝,具有極高的緊湊性和可靠性。例如,可以在溫度 -40°C 至 +100°C,滿負(fù)載時工作,其隔離電容比競爭產(chǎn)品高出約 40 倍。這些轉(zhuǎn)換器可用于 3.3 V 或 5 V 的輸入/輸出電壓,具有 1 kVDC 或 3 kVDC 隔離。該系列獲 IEC/UL/EN 62368-1 和 UL 60950-1 全面認(rèn)證,并提供三年質(zhì)保。