UltraBK?（Ultra Block）：更小、更高效 DC-DC 轉換器設計的構建塊

電子設計的每一部分都像是采用各種積木，并使它們協同工作以實現設計目標。電子設計工程師一直在尋求零件的進一步小型化、更多的功能和更高的可靠性。

直流-直流轉換器

DC-DC 轉換器是電子電源管理電路中使用的基本構件。它們將一個直流 (DC) 電壓轉換為另一個更高（升壓、升壓）或更低（降壓、降壓）電壓的直流電。Murata成功推出了一系列降壓穩壓器，其占地面積減少了近兩倍，高度減少了三分之一，并顯著改善了電源效率、瞬態性能和電磁干擾 (EMI)。這種改進是通過使用稱為 BK?（塊）的獨特架構實現的。BK? 是 Murata 的創新構建塊，用于更小、更高效的 DC-DC 轉換器設計。讓我們仔細看看這個創造性的突破。

降壓穩壓器：單級

金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 通常用作電子開關。降壓穩壓器通常使用內部功率 FET。為了減小尺寸和簡化降壓穩壓器，特別是對于低輸出電流 (< 20A)，許多部件都在一個封裝內提供控制器和集成 FET。具有集成 FET 的控制器可能會降低效率，因為在為廣泛的應用指定時，這些 FET 的額定電壓可能遠高于給定應用所需的額定電壓，從而導致開關損耗增加。此外，對于特定占空比，FET 的尺寸幾乎肯定是次優的。后一點可能是一個重大的妥協，特別是對于低占空比應用。

采用封裝技術來減小尺寸并壓縮動力系統中每一個可能的毫歐級寄生損耗，以提高效率。完整動力系統（控制加 FET、輸出電感器和輸入/輸出濾波器）的集成主要受到仍然需要的物理尺寸較大的電感器的阻礙。

2 級降壓架構替代方案

Murata 的 BK? 電源架構解決了其中的許多問題。它允許開關頻率保持在 1MHz 至 2MHz 的范圍內，同時減少所需的電感量，并提高整體電源轉換效率。

Murata 的突破采用了兩級架構，包括一個電荷泵、一個開關電容轉換器和一個開關模式電源。Murata 專有的電荷泵設計解決了傳統上與電荷泵相關的基本問題，即低效率和高 EMI。

Murata 系統中使用的電流源實際上是降壓級中的電感器。該電感器非常接近電流源，用于吸收開關中通常產生的所有電荷再分配損耗。因為這個電流源電感器可以在輸出級，所以能量不會丟失，而是可以作為負載的有用能量回收。這種回收的能量允許電荷泵開關的串聯電阻（以及相關的寄生阻抗）盡可能小，因為浪涌電流不再是一個問題，并最大限度地減少了這部分電路中的電荷再分配損耗。在效率方面，Murata 的電荷泵的效率提高了 97% 到 99%（圖 1）。

圖 1。結合電荷泵和開關穩壓器的兩級降壓轉換器（來源：Murata）

電荷泵本身也是兩相交錯的，并為輸入提供幾乎 100% 的占空比。與占空比可能僅為 10% 的傳統降壓穩壓器相比，這對輸入電流紋波和所需的輸入濾波量產生了巨大的影響。在測試中，Murata 測得的輸入電流紋波至少比同等單級降壓轉換器低五倍（圖 2）。

圖 2：單級降壓與 Murata 兩級降壓輸入電流紋波的比較。（出處：村田）

降低電磁干擾

Murata 的兩級架構將整個電壓轉換分解為跨多個輸入和輸出相位執行的許多小電壓階躍。與單級降壓設計相比，最終結果是 Murata 的傳導和輻射 EMI 架構的 EMI 特征要低得多。單級降壓中 EMI 的主要來源是電感器 (V(t) = L * (di/dt))。由于 Murata 在系統中使用的電感少得多，因此自然消除了大部分 EMI 源。

產品示例

Murata MY 系列 UltraBK? 4A/6A DC-DC 轉換器模塊是微型 UltraBK，稱為 Ultra Block。它們是一種超薄、高效的集成電源解決方案，將 4A 或 6A DC-DC 轉換器與組件結合在一起。這些集成模塊在尺寸為 10.5mm x 9.0mm x 2.1mm 的小型超薄 LGA 封裝中提供高達 90% 或 90.5% 的效率。易于使用的模塊端子設計通過最小化寄生布線電阻實現簡單的電源布局和最大效率。其他功能包括電源良好輸出、過流和過熱保護、遠程開/關控制和輸出電壓檢測。

應用

Murata MY 系列 UltraBK 4A/6A DC-DC 轉換器模塊非常適合用于 PCIe/服務器應用、現場可編程門陣列 (FPGA) 和數字信號處理 (DSP)、數據通信/電信系統、分布式總線架構 ( DBA）、可編程邏輯和混合電壓系統。部分版本還可用于 I 2 C 6.0 兼容串行接口，工作頻率高達 1MHz。

結論

您已經看到 Murata 如何展示一種獨特且有點不直觀的兩級架構，該架構在整個動力系統中以復雜的布置使用許多低壓 FET。這種架構在更小的占地面積和配置文件中實現了一流的效率。

這種兩級降壓是在非常成熟的 CMOS 半導體工藝中使用標準現成 FET 的架構創新。由于電感器不再是材料清單中的主要元件，因此功率轉換通常占據系統電路面積的 30% 至 40% 縮小到一半，而不會影響效率。此外，由于電感器通常是系統中最高的組件之一，因此這種架構允許更薄的解決方案，提高封裝密度，并使移動產品更加纖薄。

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