電源轉(zhuǎn)換模塊的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用分析

電氣化是第二次工業(yè)革命的典型標(biāo)志，雖然我們當(dāng)下正在推動(dòng)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(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活主要的能量來(lái)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(shì)為例，根據(jù)中國(guó)乘聯(lián)會(huì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2021年8月份中國(guó)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(yù)計(jì)2022年中國(guó)新能車滲透率有望提前突破35%大關(guān)。在新能源的推動(dòng)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(gè)區(qū)域。

電源轉(zhuǎn)換器件的分類

隨著用電場(chǎng)景愈發(fā)豐富，電源轉(zhuǎn)換器件的種類也變得越來(lái)越多，在這里我們先簡(jiǎn)單對(duì)各類型電源轉(zhuǎn)換IC進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

先看DC/DC轉(zhuǎn)換器，可以說(shuō)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(xì)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(fù)責(zé)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(duì)于AC/DC轉(zhuǎn)換器，生活中最常見(jiàn)的使用場(chǎng)景就是開(kāi)關(guān)電源，采用PWM原理調(diào)制出正弦波波形，再通過(guò)變壓器變換電壓，最后整流輸出；對(duì)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(jiàn)的應(yīng)用是在電機(jī)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(dòng)動(dòng)力電機(jī)。

電源轉(zhuǎn)換模塊的優(yōu)勢(shì)

在方案開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，單一的轉(zhuǎn)換器芯片并不能直接應(yīng)用到系統(tǒng)方案中，還需要輔助以外圍器件，包括各種被動(dòng)器件和不同功能的穩(wěn)壓器芯片，最終才能將達(dá)標(biāo)的電能傳輸給負(fù)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(yīng)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(wú)源器件等，不僅降低了轉(zhuǎn)換器的使用難度，同時(shí)在板載空間方面得到增強(qiáng)。

以貿(mào)澤電子正在銷售的來(lái)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(xiàng)，能夠幫助用戶達(dá)成以前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)尺寸、重量和效率。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面，Vicor獲得專利的高性能ZVS降壓-升壓穩(wěn)壓器和競(jìng)品的硬開(kāi)關(guān)解決方案相比優(yōu)勢(shì)明顯，通過(guò)圖2能夠看出，在24VIN至2.5VOUT (9.6:1) 10A設(shè)計(jì)中，Vicor的ZVS降壓拓?fù)浜陀查_(kāi)關(guān)解決方案滿載效率相差近6.5%，9A測(cè)量點(diǎn)功率損耗提升52%以上。

圖2：Vicor的ZVS 降壓拓?fù)浜陀查_(kāi)關(guān)解決方案實(shí)測(cè)性能對(duì)比（圖源：Vicor）

通過(guò)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(kāi)關(guān)降壓穩(wěn)壓器拓?fù)湓趯拕?dòng)態(tài)范圍下對(duì)功率密度和吞吐量的限制，克服了硬開(kāi)關(guān)、體二極管導(dǎo)通和柵極驅(qū)動(dòng)損耗對(duì)優(yōu)化功耗、效率和功率密度的阻礙，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更高的效率、更大的吞吐量和更寬的動(dòng)態(tài)范圍。借助這樣的創(chuàng)新型設(shè)計(jì)，DCM3717模塊讓自身和使用該模塊的方案設(shè)計(jì)都能夠具有非常高的功率密度。

在產(chǎn)品測(cè)試方面，從圖3和圖4上面能夠清晰的看出，不管是單獨(dú)應(yīng)用，還是雙模塊并列使用，DCM3717模塊在實(shí)際應(yīng)用中只需要簡(jiǎn)單的外部輔助電路，外圍器件數(shù)量明顯減少。在具體的應(yīng)用中，DCM3717模塊最多支持四個(gè)模塊并行使用。

圖3：單模塊應(yīng)用電路圖（圖源：Vicor）

圖4：雙模塊并列陣列的應(yīng)用電路圖（圖源：Vicor）

DCM3717陣列的并行操作是為了應(yīng)對(duì)系統(tǒng)對(duì)更高功率的要求，通過(guò)正確配置的n個(gè)DCM3717陣列，能夠在無(wú)電氣降額的情況下獲得單個(gè)模塊的額定功率或電流乘以n的效果，進(jìn)而滿足更高的輸出功率。在實(shí)際的PCB布局中推薦使用如圖5所示的PCB布局，每個(gè)DCM3717模塊應(yīng)靠近放置，縮短互連控制信號(hào)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(shí)，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(dá)97%。通過(guò)測(cè)試，如圖6所示DCM3717模塊持續(xù)運(yùn)行功率可達(dá)750W，瞬時(shí)峰值功率可達(dá)900W。

圖6：DCM3717模塊持續(xù)運(yùn)行功率（圖源：Vicor）

在測(cè)試過(guò)程中，DCM3717模塊在多個(gè)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(yīng)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(fù)載部署高性能48V供電，支持純電動(dòng)及混合動(dòng)力汽車的LV148規(guī)范和分布式48V服務(wù)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(jìn)而實(shí)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(xiàng)。

綜合而言，通過(guò)集成化、模塊化的方式，DCM3717模塊幫助用戶降低設(shè)計(jì)難度，節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)高功率、高效率，并通過(guò)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(wù)器背板架構(gòu)，并提供靈活的散熱管理選項(xiàng)，適用于數(shù)據(jù)中心、汽車和工業(yè)市場(chǎng)。

對(duì)于AC/DC轉(zhuǎn)換而言，模塊化的優(yōu)勢(shì)同樣明顯。以貿(mào)澤電子在售的來(lái)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(hào)為BAC1S12SC，這款穩(wěn)壓?jiǎn)屋敵鲛D(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(yùn)行，適用于最苛刻的環(huán)境。

BAC1轉(zhuǎn)換器模塊具有高效率、高可靠性、低待機(jī)功耗、更小的板載空間、醫(yī)療級(jí)安全認(rèn)證等諸多優(yōu)點(diǎn)。具體來(lái)看，BAC1轉(zhuǎn)換器模塊能夠在高達(dá)+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(yán)苛型需求的理想解決方案，超低的待機(jī)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(shì)。首先是輸入和輸出的寬范圍，BAC1轉(zhuǎn)換器模塊支持有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(yīng)對(duì)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(fù)載調(diào)整率，其中典型的線性調(diào)整率為5V輸出時(shí)可達(dá)0.3% ，12V和24V輸出時(shí)可達(dá)0.1%，典型負(fù)載調(diào)整率則為0.1%，也就是說(shuō)BAC1轉(zhuǎn)換器模塊在輸入電壓最高最低時(shí)，依然能夠穩(wěn)定輸出。

同時(shí)，BAC1轉(zhuǎn)換器模塊能夠在和分立式方案的對(duì)比中，實(shí)現(xiàn)高達(dá)75%的板載面積節(jié)約，為緊湊型方案提供了豐富的設(shè)計(jì)余量。

總結(jié)而言，模塊化的AC/DC轉(zhuǎn)換器擁有的優(yōu)勢(shì)和模塊化的DC/DC轉(zhuǎn)換器基本類似，通過(guò)集成的方式，實(shí)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(lái)更低的設(shè)計(jì)難度，更小型化的設(shè)計(jì)方案，以及更低的總擁有成本。

電源轉(zhuǎn)換模塊的應(yīng)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(jì)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(yīng)用場(chǎng)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(yīng)用優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)在我們系統(tǒng)地總結(jié)一下。通過(guò)模塊化的方式，DCM3717轉(zhuǎn)換器模塊打破了分立式設(shè)計(jì)"需求必須明確"的限制，且因?yàn)橥鈬骷俸蛽碛袇⒖荚O(shè)計(jì)，工程師朋友們可以借此快速打造數(shù)據(jù)中心、高性能計(jì)算 (HPC) 系統(tǒng)、輕度混合動(dòng)力和自主駕駛汽車以及工業(yè)系統(tǒng)等領(lǐng)域的應(yīng)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(duì)效率有嚴(yán)格要求外，對(duì)散熱性能也有高要求。以數(shù)據(jù)中心和HPC系統(tǒng)來(lái)說(shuō)明，巨量的服務(wù)器被放置在機(jī)架上，并以一定的間隔充滿整個(gè)機(jī)房，這其中很多服務(wù)器的運(yùn)行時(shí)間是24小時(shí)不停歇。在這個(gè)過(guò)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(guò)上面的圖5/6/7已經(jīng)體現(xiàn)出，DCM3717轉(zhuǎn)換器模塊在各個(gè)特征溫度下都具有高效表現(xiàn)，進(jìn)而提升服務(wù)器處理任務(wù)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(xiàng)支持用于純電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車的LV148規(guī)范和分布式48V服務(wù)器背板架構(gòu)的開(kāi)放計(jì)算項(xiàng)目，并能夠?qū)鹘y(tǒng)12V多相負(fù)載進(jìn)行支持。

從應(yīng)用角度來(lái)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(gè)多面手，包括工業(yè)控制、自動(dòng)化、醫(yī)療、電信和物聯(lián)網(wǎng)等各種市場(chǎng)都能夠受益于BAC1模塊的性能優(yōu)勢(shì)。

以物聯(lián)網(wǎng)中的智慧樓宇來(lái)展開(kāi)，電力系統(tǒng)是智慧樓宇運(yùn)轉(zhuǎn)的基石。為解決傳統(tǒng)樓宇在能耗、協(xié)議和維護(hù)成本方面的短板，智慧樓宇將各種類型的終端進(jìn)行整合，并統(tǒng)一調(diào)配，市場(chǎng)的大趨勢(shì)是智慧樓宇中大量的終端開(kāi)始采用電源模塊供電，正如在介紹BAC1轉(zhuǎn)換器模塊時(shí)提到的，模塊電源為系統(tǒng)帶來(lái)了更穩(wěn)定的輸出、更高效的性能和更低的待機(jī)功耗。同時(shí)，憑借集成優(yōu)勢(shì)和外圍器件少的優(yōu)勢(shì)，極大地降低了智慧樓宇在維護(hù)方面的成本。

對(duì)于BAC1轉(zhuǎn)換器模塊面向的工業(yè)控制、自動(dòng)化、醫(yī)療、電信等大系統(tǒng)，這樣的優(yōu)勢(shì)都是一脈相通的。

因此，無(wú)論是對(duì)于器件發(fā)展而言，還是對(duì)工程師設(shè)計(jì)難度而言，亦或者是對(duì)設(shè)備小型化趨勢(shì)而言，也包括對(duì)市場(chǎng)應(yīng)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(jià)值，讓電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不再局限于從業(yè)者的經(jīng)驗(yàn)之談，從"源頭"為高效節(jié)能的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展賦能。

審核編輯：郭婷