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                      功率轉換的重要應用與發展方向

                      發布時間:2022-03-04 來源:艾睿電子 責任編輯:wenwei

                      【導讀】功率轉換是各種電子產品設計的基礎,為滿足不同的應用與產品需求,均需要進行功率轉換、穩壓、隔離等處理,才能確保器件、模塊、系統能夠穩定的運作。本文將為您展示功率轉換的重要應用與發展方向,以及由ADI推出的功率轉換解決方案。


                      三種DC-DC轉換器類型與性能差異


                      功率轉換類型相當多樣,包含交流(AC)與直流(DC)電源的相互轉換,也包括交流與交流、直流與直流之間的轉換。以DC-DC轉換為例,共有三種基本的DC-DC轉換器類型,包括非穩壓開關電源或模塊、穩壓開關電源或模塊與芯片級功率轉換器,采用這些電源結構都會增加控制電路的復雜性,而前兩種類型還需增加元器件的數量和解決方案的尺寸。


                      非穩壓電源是相對簡單的解決方案,這類的解決方案的成本以變壓器為主,數量合適的話,分立解決方案的成本可低于1.00美元,雖然成本很低,但負載和溫度范圍內的輸出電壓變化可能很大,使得模擬解決方案的選擇將更加困難,所有模擬解決方案都必須具有出色的電源抑制性能,負載不能快速變化,否則就會引起電源大幅度改變。因此,非穩壓電源的效率可能相當高,但電源質量很低。


                      穩壓電源和模塊可提供更好的輸出特性,與非穩壓電源方案類似,控制器將功率切換到變壓器中。這類方案的電源效率在高負載下非常好,在低負載下則很差。有許多有源穩壓方案可以提高全負載范圍內的效率,但需要復雜得多的控制電路,而且大部分方案需要在隔離柵上建立一個反饋通道,這會大幅增加設計的成本和尺寸。


                      芯片級轉換器技術是ADI公司針對iCoupler?數字隔離器產品而開發的,基于該技術已產生一類新型DC-DC轉換器。該技術非常適合低功耗高性能電源設計,由于變壓器非常小,足以集成到采用內分引腳架構的標準IC封裝中,芯片級功率轉換器能夠集成完全穩壓DC-DC電源的全部功能,在低負載情況下具有緊湊型的穩壓特性和良好的效率。


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                      芯片級轉換器具有更佳的功率轉換優勢


                      大部分設計師需要實現高電源效率的設計,非穩壓解決方案的效率通常較高,但當輸出電壓顯著高于額定值時,其效率將迅速降低。效率第二的是穩壓模塊,它設計用于輕負載,具有良好的特性。然而,當對比芯片級轉換器時,由于芯片級轉換器集成有源反饋調節,其效率能夠更快地上升至最終值,因此,盡管芯片級解決方案的最大效率較低,它依然是一個較好的選擇。


                      尺寸則是這些解決方案下一個比較點,模塊解決方案在PCB上的面積均為180 mm2,非穩壓模塊的高度是10 mm,因此它不僅要占用電路板空間,而且很可能是板上最高的部分,決定模塊的理論外殼尺寸。明智的選擇同樣是采用薄型SSOP20 JEDEC標準封裝、尺寸為55 mm2,并且添加一些旁路電容和兩個電阻的芯片級模塊。


                      模塊式/分立解決方案與芯片級解決方案的最后一個區別因素是工作頻率。開關電流會給電源帶來噪聲和紋波。很多情況下,模塊的工作頻率范圍是200 kHz到1 MHz,必須對數據進行適當的濾波或消除混疊,防止其受到電源噪聲影響。芯片級解決方案的原邊功率振蕩器的工作頻率在125 MHz,雖然功率振蕩器的PWM控制仍會引起紋波,但最大噪聲源高于ADC的帶寬,可將其輕松濾除。


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                      小尺寸、完全隔離的集成DC/DC轉換器


                      ADI的芯片級解決方案ADuM5010,便是一款isoPower集成隔離式DC/DC轉換器,基于ADI公司的iCoupler?技術,能夠提供可在3.15 V和5.25 V之間調節的穩壓隔離電源,擁有最高150 mW輸出功率。輸入電源電壓可以略低于所需輸出,也可以遠高于所需輸出。利用iCoupler芯片級變壓器技術,能夠隔離邏輯信號和DC/DC轉換器的磁性組件。因此,可提供小尺寸、完全隔離的解決方案。


                      ADuM5010采用20引腳SSOP封裝,爬電距離為5 mm,工作溫度最高可達105℃,具備大于25 kV/μs的高共模瞬變抗擾度,可廣泛應用在電源啟動偏置和柵極驅動、隔離傳感器接口與工業PLC。


                      ADuM5010非常適合隔離模擬輸入的要求,功耗150 mW,并提供一般只有高功率DC-DC轉換器才具備的特性組合。在功率與隔離數據信道相結合的系列器件中,此器件是僅提供功率的型號。該系列還將繼續推出更高通道數器件,以便工程師只需進行極少的設計工作就能安全且輕松地應用電源。


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                      ADI也推出ADuM5010評估套件──EVAL-ADuM5010EBZ,可支持ADuM5010和ADuM6010 150 mW隔離式電源模塊。它可提供JEDEC標準SSOP20焊盤布局,并支持設置所需的輸出電壓、設置使能控制,并為板載負載和旁路電容器提供多個位置。isoPower器件采用高頻大功率開關電路來實現跨芯片級、空芯變壓器的功率傳輸。該評估板的PCB和電源模塊能夠滿足CISPER22 Class A或Class B的要求,具體取決于電壓和負載范圍。


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                      模擬序列發生器提供可靠的上電和斷電序列


                      現今的電子應用通常需要不止一個5 V或3.3 V的電源電壓,需要10、20或更多的電壓也很常見。除此之外還有具有相同電壓電平,但必須作為域單獨生成的電壓域——也就是說,這些電壓必須生成兩次。一個例子是實現兩個相同的電壓來為模擬和數字負載供電。這種分離可以防止相互干擾,并在不同時間為不同負載提供能量。


                      在具有多個電源電壓的系統中,監控不同電壓的能力將很重要。在只有兩個電壓域的系統中看似微不足道的事情,對于眾多電壓來說將變得非常復雜。因此,許多序列發生器件還必須具有內置監控器或電壓監控功能。


                      ADI的ADM1186-1模擬序列發生器IC可以控制和監控四個電壓域,電壓的上電和斷電是通過控制相應電壓轉換器上的啟用(開/關)引腳來執行的。電壓轉換器的開啟時間,可以通過使用小電容器的時間延遲進行調整,相應的輸出電壓通過相應的監控引腳進行監控,建立所有電壓后,序列發生器電路會生成電源良好信號。


                      ADM1186-1等模擬排序解決方案相當易于使用,具有多電壓系統所需的所有功能。它們與數字序列發生器的不同之處,在于它們的設計不太復雜,并且系統中需要較少的數字監控功能。例如,他們可以在沒有PMBus或類似協議的情況下工作。在具有四個以上電壓域的系統進行排序和監控時,可以按順序組合多個ADM1186-1電路,并且可以將任意數量的ADM1186-1序列發生器連接在一起。


                      ADM1186-1的突出之處在于它還支持上電期間的完整排序,以及在鏈接應用中使用時的斷電,類似的解決方案可以提供鏈接各種排序器IC的可能性,但它們僅提供單個電壓的受控上升,而不是受控的降序,即在這種菊花鏈鏈接模式中關閉電壓。


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                      高度可配置、多輸出級聯降壓轉換器


                      自從ADI并購了Linear之后,將Linear的電源產品與ADI的電源管理產品相結合,可為客戶帶來最好的電源方案。像是LTC3372便是一款高度集成的DC-DC轉換器解決方案,適用于汽車、電信、工業和其他需要從高達60V的輸入電壓獲得多個低壓軌的應用。LTC3372在其耐熱增強型48引腳、7 mm × 7 mm封裝中包含高壓和低壓轉換器系統。高壓(HV)降壓控制器可將高達60V的輸入電壓降壓至引腳編程的5V或3.3V,然后使用該5V或3.3V輸出為LTC3372的可配置、多輸出、多相供電低壓(LV)單片降壓穩壓器。


                      LTC3372的這個低電壓部分由八個1 A、可并聯的功率級組成。這些級可以多種方式排列以提供兩個、三個或四個信道,每個信道由一到四個級組成,具體取決于每個信道的負載要求,最多可以實現設置八種不同的配置。這種級別的靈活性允許設計人員使用一個IC來進行各種設計,同時使用最少的外部組件和較小的總體占用空間。此外,每個通道的輸出可設置為0.8 V至LVIN。開關頻率范圍為1 MHz至3 MHz。


                      LTC3372為設計人員提供了一個靈活、高度集成的解決方案,用于從高輸入電壓提供多個輸出。其HV轉換器可以從高達60 V的輸入電壓提供5 V或3.3 V輸出。從這個中間軌,單片LV穩壓器可以提供多達四個輸出,最大輸出電流范圍為1 A至4 A,電壓低至0.8 V。


                      結語


                      功率轉換是電子產品設計的關鍵工作,采用好的功率設計與采用合適的功率轉換器件,將是產品設計成功的基礎。本文介紹的多款ADI功率轉換器件,將可滿足您在不同應用的各種需求,值得您進一步深入了解與采用。



                      免責聲明:本文為轉載文章,轉載此文目的在于傳遞更多信息,版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問題,請聯系小編進行處理。


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