選擇合適的DC/DC轉換器以實現高效的電源管理

電源管理在電子設計的許多領域都是一個具有挑戰(zhàn)性的元素，而不僅僅是工業(yè)領域。通過以最佳方式管理效率和熱管理問題，它允許獲得能耗非常低的設備。要獲得高效的 DC/DC 轉換，需要考慮幾個特性。這些方法中的每一種都有其特定的優(yōu)點和缺點，具體取決于一系列操作條件。

介紹

DC/DC 轉換器的設計遵循一些必須根據應用領域批準的規(guī)范。此類規(guī)格的示例包括輸入電壓范圍、輸出電壓值、輸出功率、效率、輸入和輸出之間的電氣絕緣以及工業(yè)標準。在 DC/DC 轉換器的設計中，許多因素有助于確定相關元件的正確值。此外，必須考慮選擇作為 DC/DC 轉換器運行基礎的最佳開關技術，以進一步優(yōu)化轉換器的效率。使用的技術 (IC)、材料、尺寸以及對法規(guī)的遵守是最終成本的主要部分。

電源級的設計需要識別一些特性，例如瞬態(tài)容限和負載特性(阻抗范圍)。瞬態(tài)響應是電源性能水平的良好指標。它是衡量直流電能夠承受負載阻抗變化的程度的指標。

DC/DC轉換器效率評估

系統損耗在評估 DC/DC 轉換器的效率方面發(fā)揮著重要作用。他們的分析涉及兩種類型：一種是由電感器中的峰值電流引起的，另一種是由轉換器電路的充電和放電階段引起的所謂開關損耗。關于電感器中的峰值電流引起的損耗，可以確定兩個因素，一個與導通期間 ON-OFF 開關 FET 的漏源電阻有關，另一個與電感器的直流電阻有關。開關損耗或動態(tài)主要是由電路的電容效應引起的。特別是必須考慮 FET 和二極管的漏源寄生開關容量。

電感磁芯中的能量損耗與開關頻率成正比;事實上，頻率的增加會隨著電感磁芯損耗的增加而增加。這種類型的泄漏是由于芯的材料和尺寸造成的。電感的最佳選擇主要包括三個方面需要考慮：飽和電流，它必須充分高于電感中流動的最大電流;電感的連續(xù)電阻;和電感器的物理尺寸。FET 必須能夠在電感放電期間承受漏源電壓。此外，最大漏極電流必須高于通過電感器的峰值電流。為了最小化開關損耗，FET 必須具有低柵源和漏源電容值。

數字控制

數字控制已被證明是最可靠的電壓調節(jié)方法。數字 IC 允許微調節(jié)能，直至控制開關電源每個工作周期期間的耗散。在數字控制器中，模數轉換器 (ADC) 將輸出電壓的測量值(刻度)與參考電壓(誤差電壓)之間的差異轉換為數字值。數字控制器的 PID 處理器取代了模擬設備的補償網絡。例如，瑞薩電子 ZL6105 是一款集成了 MOSFET 驅動器的數字電源穩(wěn)壓器。它被設計成一個靈活的直流元件，可以很容易地適應從 3.0 運行的單相電源的設計。圖 1和圖 2 )。

圖 1：電源管理數字控制。

圖 2：ZL6105 的典型應用電路。

醫(yī)療的

醫(yī)療級 DC/DC 轉換器是常用來描述一類越來越流行的轉換器。主要要求是在輸入和輸出之間尋找安全的電流隔離，通常表示為隔離電壓。隔離式轉換器通過其隔離屏障承受高壓的能力取決于用于構建轉換器的材料、內部 PCB 上輸入和輸出走線之間的物理隔離以及變壓器承受入口之間電應力的絕緣能力和出口繞組。變壓器結構最簡單的解決方案是使用具有涂層厚度或具有多個涂層的繞組以確保足夠的絕緣。然而，隨著小型化趨勢的發(fā)展，這種解決方案正在達到其極限。

除了絕緣電阻之外，DC/DC 轉換器的另一個最關鍵的規(guī)格是工作溫度范圍。具有低內部功耗的高效轉換器可以在高溫下工作而不會過熱。

一個例子是 RECOM 的 REM1，它集成了 REM3、REM6 和 REM10 系列，在更緊湊的 SIP7 封裝中提供 1W 級非穩(wěn)壓 DC/DC 轉換器。REM1 具有 5.2kVAC/1 分鐘的隔離和 2-MOPP/250-VAC 的工作電壓。REM1 可提供 3.3、5、12、15 或 24 V 輸入，并提供 3.3、5 或 12 V 輸出，效率高達 85%(圖 3)。

圖 3：REM10 系列根據負載的 DC/DC 轉換器效率。

ADI 的 μModule Power by Linear 系列代表了完整的“系統級封裝”電源解決方案，可最大限度地縮短設計時間并解決電路板空間、散熱和能量密度方面的最常見問題。μModule 產品是完整的電源管理解決方案，包含 DC/DC 控制器、功率晶體管、輸入和輸出電容器、補償元件和電感器，集成到緊湊型 BGA 或 LGA 表面貼裝封裝中(圖 4)。

圖 4：LTM8065 的典型應用電路。

鐵路

鐵路應用要求設備能夠承受牽引車輛和機車車輛遇到的氣候、機械和電氣環(huán)境。電子設備需要對DC/DC電源進行轉換，必須安全可靠地運行。

RECOM 的 RP 系列轉換器 — RP08-AW、RP20-FR 和 RP40-FR — 效率高達 92%，設計用于鐵路板車應用(機車車輛)，也可用于電信領域的其他應用。緊湊型模塊提供寬輸入電壓范圍，通過一些相應的引腳提供單輸出電壓和雙輸出電壓和控制邏輯。-HC 版本中 89% 的產率和從 -40°C 到 85°C 的寬工作溫度范圍提供了廣泛的用途，考慮到反過來，冷卻利用自然對流，但可以使用預組裝的散熱器(圖 5)。