芯耀
288
電氣化是第二次工業(yè)革命的典型標志。雖然我們當下正在推動以“工業(yè)4.0”為代表的第四次工業(yè)革命，但電力依然是國民經(jīng)濟和人民生活主要的能量來源。隨著新能源理念的推行，電氣化的滲透率在穩(wěn)步上升。
以汽車電子/電氣化趨勢為例，根據(jù)中國乘聯(lián)會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2021年8月份中國新能源汽車滲透率已經(jīng)突破20%大關(guān)，并將持續(xù)提升。業(yè)內(nèi)人士指出，預計2022年中國新能車滲透率有望提前突破35%大關(guān)。在新能源的推動下，多元化的電源轉(zhuǎn)換需求密集爆發(fā)，大量DC-DC、DC-AC升/降壓轉(zhuǎn)換器件出現(xiàn)在車子的各個區(qū)域。
電源轉(zhuǎn)換器件的分類
隨著用電場景愈發(fā)豐富，電源轉(zhuǎn)換器件的種類也變得越來越多，在這里我們先簡單對各類型電源轉(zhuǎn)換IC進行統(tǒng)計。
先看DC/DC轉(zhuǎn)換器，可以說這是工程師朋友最為熟悉的電源轉(zhuǎn)換器件，其主要作用是轉(zhuǎn)變輸入電壓并有效輸出固定電壓。在DC/DC轉(zhuǎn)換器下面，還有更細分的劃分，包括升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器、降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器以及升降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器。
AC/DC轉(zhuǎn)換器則負責將交流電轉(zhuǎn)化成為直流電，其功率流向可以是雙向的，包括整流和有源逆變。對于AC/DC轉(zhuǎn)換器，生活中最常見的使用場景就是開關(guān)電源，采用PWM原理調(diào)制出正弦波波形，再通過變壓器變換電壓，最后整流輸出；對于DC/AC轉(zhuǎn)換器，一般由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成，最常見的應用是在電機領(lǐng)域，尤其是在新能源汽車領(lǐng)域，將電池組輸出的直流電能轉(zhuǎn)換成交流電，用以驅(qū)動動力電機。
電源轉(zhuǎn)換模塊的優(yōu)勢
在方案開發(fā)的過程中，單一的轉(zhuǎn)換器芯片并不能直接應用到系統(tǒng)方案中，還需要輔助以外圍器件，包括各種無源器件和不同功能的穩(wěn)壓器芯片，最終才能將達標的電能傳輸給負載。
為了幫助工程師朋友更好地使用電源轉(zhuǎn)換器，縮短產(chǎn)品上市的周期，各大制造商都在積極地推廣電源轉(zhuǎn)換模塊。在相應的模塊中集成高性能數(shù)字PWM控制器、雙相功率MOSFET、電感器和無源器件等，不僅降低了轉(zhuǎn)換器的使用難度，同時在板載空間方面得到增強。
以貿(mào)澤電子正在銷售的來自制造商Vicor的DCM3717非隔離式穩(wěn)壓DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊為例。該模塊集成了降壓-升壓穩(wěn)壓器和正弦振幅轉(zhuǎn)換器（SAC），外形尺寸僅為36.7*17.3*7.42mm，具有靈活的散熱管理選項，能夠幫助用戶達成以前無法實現(xiàn)的系統(tǒng)尺寸、重量和效率。
圖1：DCM3717非隔離式穩(wěn)壓DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊
（圖源：Vicor）
在產(chǎn)品設(shè)計方面，Vicor獲得專利的高性能ZVS降壓-升壓穩(wěn)壓器和競品的硬開關(guān)解決方案相比優(yōu)勢明顯。通過圖2能夠看出，在24VIN至2.5VOUT（9.6:1）10A設(shè)計中，Vicor的ZVS降壓拓撲和硬開關(guān)解決方案滿載效率相差近6.5%，9A測量點功率損耗提升52%以上。
圖2：Vicor的ZVS降壓拓撲和硬開關(guān)解決方案實測性能對比（圖源：Vicor）
通過集成高性能ZVS降壓-升壓穩(wěn)壓器，DCM3717模塊突破了傳統(tǒng)硬開關(guān)降壓穩(wěn)壓器拓撲在寬動態(tài)范圍下對功率密度和吞吐量的限制，克服了硬開關(guān)、體二極管導通和柵極驅(qū)動損耗對優(yōu)化功耗、效率和功率密度的阻礙，進而實現(xiàn)更高的效率、更大的吞吐量和更寬的動態(tài)范圍。借助這樣的創(chuàng)新型設(shè)計，DCM3717模塊讓自身和使用該模塊的方案設(shè)計都能夠具有非常高的功率密度。
在產(chǎn)品測試方面，從圖3和圖4上面能夠清晰的看出，不管是單獨應用，還是雙模塊并列使用，DCM3717模塊在實際應用中只需要簡單的外部輔助電路，外圍器件數(shù)量明顯減少。在具體的應用中，DCM3717模塊最多支持四個模塊并行使用。
圖3：單模塊應用電路圖
（圖源：Vicor）
圖4：雙模塊并列陣列的應用電路圖
（圖源：Vicor）
DCM3717陣列的并行操作是為了滿足系統(tǒng)對更高功率的要求。通過正確配置的n個DCM3717陣列，能夠在無電氣降額的情況下獲得單個模塊的額定功率或電流乘以n的效果，進而滿足更高的輸出功率。在實際的PCB布局中推薦使用如圖5所示的PCB布局，每個DCM3717模塊應靠近放置，縮短互連控制信號傳輸，從而改善雜散電容和系統(tǒng)噪聲。
圖5：DCM3717模塊推薦PCB布局
（圖源：Vicor）
與此同時，DCM3717模塊在寬輸入范圍（40VDC至60VDC）和寬輸出范圍（10VDC至13.5VDC）的情況下，峰值效率高達97%。通過測試，如圖6所示DCM3717模塊持續(xù)運行功率可達750W，瞬時峰值功率可達900W。
圖6：DCM3717模塊持續(xù)運行功率
（圖源：Vicor）
在測試過程中，DCM3717模塊在多個指定的工作溫度下都能夠有高效率的表現(xiàn)，包括25℃、100℃和-20℃三大特征溫度。
圖7：25℃，VOUT=10.0V下的效率表現(xiàn)
（圖源：Vicor）
圖8：100℃，VOUT=10.0V下的效率表現(xiàn)
（圖源：Vicor）
圖9：-20℃，VOUT=10.0V下的效率表現(xiàn)
（圖源：Vicor）
在產(chǎn)品應用方面，DCM3717模塊是穩(wěn)壓的12V電源，可以迅速為傳統(tǒng)的12V負載部署高性能48V供電，支持純電動及混合動力汽車的LV148規(guī)范和分布式48V服務器背板架構(gòu)。36.7*17.3*7.42mm的表貼封裝（SM-ChiP）讓采用DCM3717模塊的電源可以顯著優(yōu)化電源尺寸、重量，進而實現(xiàn)更高的功率密度。頂側(cè)和底側(cè)熱阻非常低，提供了靈活的散熱管理選項。
綜合而言，通過集成化、模塊化的方式，DCM3717模塊幫助用戶降低設(shè)計難度，節(jié)省開發(fā)時間，實現(xiàn)高功率、高效率，并通過SM-ChiP方式擁有更高的功率密度。DCM3717模塊滿足LV148規(guī)范和分布式48V服務器背板架構(gòu)，并提供靈活的散熱管理選項，適用于數(shù)據(jù)中心、汽車和工業(yè)市場。
對于AC/DC轉(zhuǎn)換而言，模塊化的優(yōu)勢同樣明顯。以貿(mào)澤電子在售的來自制造商Murata Power Solutions的BAC1隔離式1W AC/DC轉(zhuǎn)換器模塊為例，制造商的器件編號為BAC1S12SC。這款穩(wěn)壓單輸出轉(zhuǎn)換器模塊采用板上安裝和SIP封裝結(jié)合的方式，支持在靜止空氣中運行，適用于最苛刻的環(huán)境。
圖10：BAC1轉(zhuǎn)換器模塊
（圖源：Murata Power Solutions）
BAC1轉(zhuǎn)換器模塊具有高效率、高可靠性、低待機功耗、更小的板載空間、醫(yī)療級安全認證等諸多優(yōu)點。具體來看，BAC1轉(zhuǎn)換器模塊能夠在高達+85°C下提供全功率，提供全穩(wěn)壓1W交流/直流能力，是功耗要求嚴苛型應用的理想解決方案，超低的待機功耗僅有20mW。
作為一款高度集成的AC/DC轉(zhuǎn)換器模塊，BAC1在輸入和輸出方面具有兩大突出優(yōu)勢。首先是輸入和輸出的寬范圍，BAC1轉(zhuǎn)換器模塊支持85VAC至264VAC（305VAC電壓待定）和70VDC至400VDC輸入電壓范圍，可輸出5V、12V或24V的單輸出電壓；其次是應對寬輸入范圍，BAC1轉(zhuǎn)換器模塊在輸出端擁有出色的線性調(diào)整率和負載調(diào)整率，其中典型的線性調(diào)整率為5V輸出時可達0.3%，12V和24V輸出時可達0.1%。典型負載調(diào)整率則為0.1%，也就是說BAC1轉(zhuǎn)換器模塊在輸入電壓最高最低時，依然能夠穩(wěn)定輸出。
同時，通過圖11能夠看到，BAC1轉(zhuǎn)換器模塊能夠在和分立式方案的對比中，實現(xiàn)高達75%的板載面積節(jié)約，為緊湊型方案提供了豐富的設(shè)計裕量。
圖11：BAC1轉(zhuǎn)換器模塊占板空間
（圖源：Murata Power Solutions）
總結(jié)而言，模塊化的AC/DC轉(zhuǎn)換器擁有的優(yōu)勢和模塊化的DC/DC轉(zhuǎn)換器基本類似。通過集成的方式，實現(xiàn)了更高的效率和性能，并大幅度減少方案的外圍器件數(shù)量，最終為工程師朋友們帶來更低的設(shè)計難度，更小型化的設(shè)計方案，以及更低的總擁有成本。
電源轉(zhuǎn)換模塊的應用
模塊化的AC/DC轉(zhuǎn)換器和DC/DC轉(zhuǎn)換器克服了分立式設(shè)計的種種障礙，并憑借更寬的輸入和輸出范圍適用于更廣泛的應用場景。
上面提到DCM3717非隔離式穩(wěn)壓DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊的一些應用優(yōu)勢，現(xiàn)在我們系統(tǒng)地總結(jié)一下。通過模塊化的方式，DCM3717轉(zhuǎn)換器模塊打破了分立式設(shè)計“需求必須明確”的限制，且因為外圍器件少和擁有參考設(shè)計，工程師朋友們可以借此快速打造數(shù)據(jù)中心、高性能計算（HPC）系統(tǒng)、輕度混合動力和自主駕駛汽車以及工業(yè)系統(tǒng)等領(lǐng)域的應用。
相信大家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，DCM3717轉(zhuǎn)換器模塊面向的領(lǐng)域除了對效率有嚴格要求外，對散熱性能也有高要求。以數(shù)據(jù)中心和HPC系統(tǒng)為例，巨量的服務器被放置在機架上，并以一定的間隔充滿整個機房，這其中很多服務器的運行時間是24小時不停歇。在這個過程中，電源器件擁有高效率，以及出色的散熱能力是至關(guān)重要的。
通過上面的圖5/6/7已經(jīng)體現(xiàn)出，DCM3717轉(zhuǎn)換器模塊在各個特征溫度下都具有高效表現(xiàn)，進而提升服務器處理任務的效率。在散熱方面，DCM3717轉(zhuǎn)換器模塊頂側(cè)和底側(cè)熱阻非常低，因而自身熱量的產(chǎn)生非常少，并提供靈活的散熱管理選項支持用于純電動和混合動力汽車的LV148規(guī)范和分布式48V服務器背板架構(gòu)的開放計算項目，并能夠?qū)鹘y(tǒng)12V多相負載進行支持。
從應用角度來看，BAC1隔離式1W AC/DC轉(zhuǎn)換器模塊憑借出色的性能、體積和功耗，同樣是一個多面手。包括工業(yè)控制、自動化、醫(yī)療、電信和物聯(lián)網(wǎng)等各種市場都能夠受益于BAC1模塊的性能優(yōu)勢。
以物聯(lián)網(wǎng)中的智慧樓宇來展開，電力系統(tǒng)是智慧樓宇運轉(zhuǎn)的基石。為解決傳統(tǒng)樓宇在能耗、協(xié)議和維護成本方面的短板，智慧樓宇將各種類型的終端進行整合，并統(tǒng)一調(diào)配，市場的大趨勢是智慧樓宇中大量的終端開始采用電源模塊供電。正如在介紹BAC1轉(zhuǎn)換器模塊時提到的，模塊電源為系統(tǒng)帶來了更穩(wěn)定的輸出、更高效的性能和更低的待機功耗。同時，憑借集成優(yōu)勢和外圍器件少的優(yōu)勢，極大地降低了智慧樓宇在維護方面的成本。
對于BAC1轉(zhuǎn)換器模塊面向的工業(yè)控制、自動化、醫(yī)療、電信等大系統(tǒng)，這樣的優(yōu)勢都是一脈相通的。
因此，無論是對于器件發(fā)展而言，還是對工程師設(shè)計難度而言，亦或者是對設(shè)備小型化趨勢而言，也包括對市場應用而言，融合高效、集成、易用、穩(wěn)定等于一身的電源轉(zhuǎn)換模塊都體現(xiàn)了自己的價值，讓電源系統(tǒng)的設(shè)計不再局限于從業(yè)者的經(jīng)驗之談，從“源頭”為高效節(jié)能的經(jīng)濟社會發(fā)展賦能。
該發(fā)布文章為獨家原創(chuàng)文章，轉(zhuǎn)載請注明來源。對于未經(jīng)許可的復制和不符合要求的轉(zhuǎn)載我們將保留依法追究法律責任的權(quán)利。
原文標題：一文了解電源轉(zhuǎn)換模塊的優(yōu)勢和應用
