模塊化 DC/DC 轉(zhuǎn)換器相較于分立解決方案的優(yōu)勢(shì)

復(fù)雜的現(xiàn)代電路通常包含大量元器件，例如微控制器、IC、DSP 和 FPGA 等。每個(gè)元器件均具有特定的供電電壓要求。由共享“中央”電源和大量局部轉(zhuǎn)換器模塊構(gòu)成的分布式電源系統(tǒng)，成為能夠滿足這種要求的最高能效解決方案。直到最近，制造商才開始選用分立器件，尤其是在需要大量使用時(shí)。由于全面認(rèn)證型模塊的價(jià)格穩(wěn)步下降，該等產(chǎn)品現(xiàn)已成為可行的替代品。當(dāng)前這種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的模塊幾乎適用于任何應(yīng)用。

人們?cè)缫颜J(rèn)識(shí)到模塊化 DC/DC 轉(zhuǎn)換器具有更高的能效和可靠性，但因其高成本，制造商并未在設(shè)計(jì)中使用這種轉(zhuǎn)換器，尤其是在需要大量轉(zhuǎn)換器時(shí)。盡管開發(fā)成本仍在增加，但認(rèn)證型模塊的價(jià)格相較于前幾年已有大幅下降。此外，如果考慮產(chǎn)品上市時(shí)間等其他問題，模塊化轉(zhuǎn)換器通常是時(shí)下較為劃算的選擇。

DC/DC 轉(zhuǎn)換器內(nèi)部開發(fā)的誤區(qū)

雖然大多數(shù)制造商已在電路中使用采購的開關(guān)模式電源，但他們通常對(duì)于在設(shè)計(jì)中使用第三方 DC/DC 轉(zhuǎn)換器仍然有所遲疑。其中有兩個(gè)主要原因：一方面是 DC/DC 轉(zhuǎn)換器以低直流電源工作，屬于相對(duì)簡(jiǎn)單的元器件；另一方面是，它們構(gòu)成了印刷電路板的一部分，所以最好采用一種工藝與其他元器件一起貼裝。

初看起來，開發(fā)轉(zhuǎn)換器似乎是一項(xiàng)相對(duì)簡(jiǎn)單的工作。但這是一種錯(cuò)覺，因?yàn)橥ǔ１砻婵雌饋砗?jiǎn)單的器件，細(xì)節(jié)中最容易出現(xiàn)問題。設(shè)計(jì) DC/DC 轉(zhuǎn)換器時(shí)，模擬技術(shù)的一些特性通常會(huì)引發(fā)很棘手的問題。例如，印制線會(huì)產(chǎn)生不存在于電路圖中的電容或電感，這些電容或電感通常無法預(yù)測(cè)。此外，變壓器的性能不僅受鐵氧體材料影響，還取決于器件工作的磁滯回線范圍。這會(huì)產(chǎn)生高水平干擾，可能需要重復(fù)二次設(shè)計(jì)。最終導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)布推遲，有時(shí)會(huì)推遲幾個(gè)月。而制造商選擇現(xiàn)成的模塊，不僅縮短開發(fā)時(shí)間，同時(shí)還將商業(yè)風(fēng)險(xiǎn)降至最低。

轉(zhuǎn)換器模塊高效且實(shí)用

專業(yè)供應(yīng)商為轉(zhuǎn)換器模塊帶來的另一巨大優(yōu)勢(shì)是高效和出眾的可靠性，這些模塊已得到數(shù)以千計(jì)應(yīng)用的驗(yàn)證。現(xiàn)代設(shè)計(jì)通常需要大量轉(zhuǎn)換器，所以建議開發(fā)人員應(yīng)密切關(guān)注每個(gè)此類元件的能效。大型轉(zhuǎn)換器通常以超過 90% 的能效等級(jí)工作，而使用 1 W 至 2 W 范圍的小型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器難以實(shí)現(xiàn)這種額定能效，因?yàn)槊總€(gè)轉(zhuǎn)換器具有固定的靜態(tài)功耗，而小型轉(zhuǎn)換器的此類功耗比率比大型轉(zhuǎn)換器相對(duì)更高。因此根據(jù)實(shí)際的功率和拓?fù)?，?jīng)優(yōu)化的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器能效約為 85% 至 92%。

但在這種情況下，僅關(guān)注滿負(fù)載時(shí)的絕對(duì)額定能效，而不考慮較低負(fù)載范圍的能效，會(huì)有一定的危險(xiǎn)。一般來說，所有轉(zhuǎn)換器以接近額定負(fù)載工作時(shí)，可以達(dá)到最高能效。負(fù)載越低，則能效越低。但設(shè)計(jì)精良的轉(zhuǎn)換器具有穩(wěn)定的高能效，尤其在重要的中到低負(fù)載范圍內(nèi)。

對(duì)指甲大小的新型R1SX-05051 W 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行測(cè)試，并與相同額定功率的定制轉(zhuǎn)換器比較進(jìn)行，兩者在能效方面存在巨大差別。滿負(fù)載時(shí)，定制設(shè)計(jì)型號(hào)已達(dá)到約 70% 的可接受能效水平。但在半負(fù)載時(shí)，能效降至略高于 55% 的水平，而 RECOM 模塊即使在半負(fù)載時(shí)也可以達(dá)到 72% 的能效，高出了 17 個(gè)百分點(diǎn)（圖 1）。定制設(shè)計(jì)的器件功率損耗為 409 mW，比損耗為 195 mW 的 R1SX 高出一倍還多。在這種情況下，選擇“現(xiàn)成的”模塊不僅可以降低能源消耗，還可以降低 PCB 上的熱負(fù)載。

圖 1： 定制設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換器與RECOMR1SX的對(duì)比表明，后者在非常重要的中到低負(fù)載范圍中具有更大的能效。（圖片由 RECOM 提供。）

模塊化轉(zhuǎn)換器的其他優(yōu)點(diǎn)

此外，模塊化轉(zhuǎn)換器在尺寸和功率密度方面絕對(duì)領(lǐng)先。由于電路越來越復(fù)雜，因此 PCB 上的小型基底面展現(xiàn)出了巨大優(yōu)勢(shì)。通常，RECOM 模塊中的分立轉(zhuǎn)換器僅占據(jù)一半空間。這是一項(xiàng)巨大優(yōu)勢(shì)，因?yàn)?PCB 上的空間越來越緊缺。

模塊化轉(zhuǎn)換器在材料管理方面也具有重要優(yōu)勢(shì)。生產(chǎn)定制轉(zhuǎn)換器需要的環(huán)形變壓器、鐵氧體磁芯、扼流圈和晶體管等零件，均為高度專業(yè)元器件，通常內(nèi)部零件清單中沒有。購買“現(xiàn)成的”模塊，可以簡(jiǎn)化零件清單并使之易于管理。

最后，使用認(rèn)證型元器件也能夠極大地加速最終產(chǎn)品的認(rèn)證。為避免麻煩，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡早考慮解決最終障礙。作為該領(lǐng)域的領(lǐng)先制造商，RECOM 又向前推進(jìn)了一步，在提交認(rèn)證之前，向客戶提供在內(nèi)部 EMC 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試產(chǎn)品的選擇。

圖 2： RECOM 讓客戶可以在自己的EMC 實(shí)驗(yàn)室對(duì)應(yīng)用進(jìn)行認(rèn)證之前，先對(duì)該應(yīng)用進(jìn)行測(cè)試。（圖片由 RECOM 提供。）

結(jié)論

如果僅比較元器件的成本，分立轉(zhuǎn)換器的價(jià)格一般會(huì)低于采購模塊的價(jià)格。但當(dāng)考慮開發(fā)、測(cè)試和認(rèn)證成本時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)不同的情況。而實(shí)際上模塊化轉(zhuǎn)換器的價(jià)格已較前幾年有大幅度下降。

圖 3： 全自動(dòng)化工廠生產(chǎn)的 R1SX 1W DC/DC 轉(zhuǎn)換器在滿負(fù)載時(shí)的額定能效為 78%。（圖片由 RECOM 提供）

這些模塊采用全自動(dòng)化生產(chǎn)工藝，具有極高的緊湊性和可靠性。例如，可以在溫度 -40°C 至 +100°C，滿負(fù)載時(shí)工作，其隔離電容比競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品高出約 40 倍。這些轉(zhuǎn)換器可用于 3.3 V 或 5 V 的輸入/輸出電壓，具有 1 kVDC或 3 kVDC隔離。該系列獲 IEC/UL/EN 62368-1 和 UL 60950-1 全面認(rèn)證，并提供三年質(zhì)保。