探索負(fù)載點(diǎn)DC/DC轉(zhuǎn)換器性能一些關(guān)鍵差別

不斷創(chuàng)新的營銷藝術(shù)是一種強(qiáng)大工具，可幫助公司凸顯自己相對行業(yè)競爭對手的差異與優(yōu)勢。 問題在于，這些所謂的優(yōu)勢會在您的特定應(yīng)用中發(fā)揮作用嗎？ 相關(guān)產(chǎn)品更小、更快、更強(qiáng)真的那么重要嗎？ 事實(shí)證明，就像生活中的大多數(shù)事情一樣，得“看情況”。

本文將嘗試超越典型營銷范式，專心探索負(fù)載點(diǎn) (POL) DC/DC 轉(zhuǎn)換器性能的一些關(guān)鍵差別，以及它們與您特定系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)系。 具體而言，我們將著眼于能效、輸出電容、補(bǔ)償方案和冷卻要求。

峰值能效與實(shí)際負(fù)載條件下的能效

功率轉(zhuǎn)換器的能效通常用小寫的希臘字母 eta (η) 表示，并表示為傳輸至輸出的功率與輸入所消耗的功率之比（η = Pout/Pin）。 任何轉(zhuǎn)換器的理想比率或能效均為 1。 這表示，進(jìn)入轉(zhuǎn)換器的功率將 100% 以零損耗的方式輸送至負(fù)載。 但是，在實(shí)際應(yīng)用中，將能量從一種形式轉(zhuǎn)換成另一種形式始終存在一定的損失/低效率，因而將 η 從 1 拉低至 1 以下。

營銷團(tuán)隊知道 100% 能效是理想情況，便經(jīng)常吹噓他們可以達(dá)到的最高轉(zhuǎn)換效率，以試圖脫穎而出，成為您應(yīng)用的“最佳”選擇。 這常常也被稱作“峰值能效”。 難點(diǎn)在于，能效不只是一個數(shù)字，而是一個通常表示為輸出電流/傳輸?shù)截?fù)載的功率的多元函數(shù)。 為了說明輸出負(fù)載對能效的影響，以下是一個負(fù)載點(diǎn)能效曲線的假設(shè)示例：

圖 1：典型能效曲線圖示。

在此假設(shè)示例中，能效曲線的峰值在輸出負(fù)載為滿負(fù)載的 50% 時出現(xiàn)。 較輕負(fù)載時的能效要低得多；在負(fù)載超過峰值時，效率逐漸降低。 在設(shè)計功率輸送系統(tǒng)時，必須理解這些曲線，因?yàn)樵谌魏胃哂诨虻陀诜逯的苄c(diǎn)的負(fù)載下操作都會導(dǎo)致系統(tǒng)中出現(xiàn)功率浪費(fèi)和多余的熱量。 以下圖示顯示，盡管負(fù)載點(diǎn) B 具有較高的峰值能效，但因負(fù)載所需的功耗，就能效而言，負(fù)載點(diǎn) A 才是此應(yīng)用的首選。

圖 2： 能效曲線與應(yīng)用負(fù)載條件對比。

實(shí)現(xiàn)目標(biāo)紋波/瞬態(tài)性能所需的輸出電容

負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器的另一個相關(guān)指標(biāo)是，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)紋波和瞬態(tài)性能需要增加的系統(tǒng)級電容。 有關(guān)外部電容器數(shù)量和類型的理論詳情不在本文的探討范圍，但應(yīng)注意，并非所有負(fù)載點(diǎn)模塊在性能方面都相同（即便規(guī)格書上顯示相似的數(shù)字）。 表面上，不同的負(fù)載點(diǎn)似乎具有類似的紋波和瞬態(tài)性能，但如果您更深入地探究測試條件，通常會發(fā)現(xiàn)很大的差別，這些差別可能會影響功率傳輸解決方案的總體成本和尺寸。

以下是兩個負(fù)載點(diǎn)模塊競爭產(chǎn)品的對比。 從規(guī)格書宣傳的規(guī)格要點(diǎn)數(shù)字來看，這兩個潛在的解決方案在紋波和噪聲性能方面看起來幾乎相同。

負(fù)載點(diǎn) A負(fù)載點(diǎn) B額定電流60 A40 AΔ VOUT10 mV10 mVΔ IOUT30 A20 A陶瓷電容器3x10 μF = 30 μF4x47 μF = 188 μF聚合物電容器9x330 μF = 2970 μF27x330 μF = 8910 μF總電容~3000 μF~9000 μF

圖 3：兩個負(fù)載點(diǎn)輸出電容對比。

但是如果仔細(xì)分析一下，我們會發(fā)現(xiàn)，其中一個模塊（負(fù)載點(diǎn) B）需要的外部電容是另一個的 3 倍，這樣才能實(shí)現(xiàn)與另一個模塊相同的電壓偏差性能。 這會增加大量成本并浪費(fèi)板空間。

幸運(yùn)的是，現(xiàn)在出現(xiàn)了更先進(jìn)的全數(shù)字負(fù)載點(diǎn)模塊，同尺寸總體解決方案的紋波/瞬態(tài)性能大大超越了傳統(tǒng)的模擬模塊。

CUI NDM3Z-90 系列是此類解決方案的一個典范，它能為負(fù)載提供高達(dá) 90 安培的電流，具有出色的紋波/瞬態(tài)性能，且通常需要的輸出電容大為減少。

圖 4：CUI 的 NDM3Z-90 數(shù)字負(fù)載點(diǎn)系列。

補(bǔ)償方案

負(fù)載點(diǎn)模塊提供穩(wěn)定的調(diào)節(jié)輸出，以嘗試為其負(fù)載生成潔凈的電壓軌。 這意味著，負(fù)載點(diǎn)本身包含一個負(fù)反饋回路，因此每當(dāng)與理想輸出之間發(fā)生偏差時，負(fù)載點(diǎn)的反饋網(wǎng)絡(luò)都會補(bǔ)償并嘗試使輸出恢復(fù)到理想的調(diào)節(jié)狀態(tài)。

市場上有許多存在細(xì)微差別的不同補(bǔ)償方案，但在下文，我們將探討普通模擬和數(shù)字補(bǔ)償方案的總體優(yōu)勢和不足。

模擬補(bǔ)償： 在模擬補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中，將會檢測、過濾模塊的輸出并與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，以生成誤差信號。 此誤差信號用于補(bǔ)償輸出并糾正可能出現(xiàn)的任何偏差。

圖 5：典型模擬開關(guān)穩(wěn)壓器原理圖。

模擬補(bǔ)償方案的優(yōu)勢是，出現(xiàn)的時間較早，并且可以使用現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)組件來實(shí)現(xiàn)。 此類模擬方案的缺點(diǎn)是，很難在所有工作條件下“將回路微調(diào)”到穩(wěn)定狀態(tài)，同時維持實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)的寬帶寬。 這通常需要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行數(shù)小時的焊接、測試、重新焊接、重新測試操作。模擬補(bǔ)償方案還很容易拾取外部噪聲，而且稍不留意就有可能被耦合到輸出中。

盡管模擬補(bǔ)償方案及其許多改型方案在很長一段時間里一直作為標(biāo)準(zhǔn)方案使用，但在過去的十年左右，市場中不斷出現(xiàn)具有一些顯著優(yōu)勢的新型數(shù)字補(bǔ)償方案。

數(shù)字補(bǔ)償：與模擬方案類似，數(shù)字補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)也需要檢測、過濾輸出，并將其與基準(zhǔn)比較，產(chǎn)生誤差并最終補(bǔ)償輸出，以糾正可能出現(xiàn)的任何偏差。

圖 6：典型數(shù)字式開關(guān)穩(wěn)壓器原理圖。

此類方案的主要區(qū)別在于，所有操作都是通過數(shù)字化的 1 和 0 來完成。 輸出的“檢測”使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成，之后的所有比較、誤差生成和補(bǔ)償均通過數(shù)字方式在集成電路 (IC) 中完成。 數(shù)字工作方式還能大幅提升噪聲抑制，這有助于防止因疏忽導(dǎo)致外部噪聲源被耦合到輸出中。

利用數(shù)字補(bǔ)償方案，您不必再在實(shí)驗(yàn)室花數(shù)小時來焊接用于調(diào)整反饋回路的不同組件。 相反，您只需修改 IC 內(nèi)的一些數(shù)字參數(shù)，并更改負(fù)載點(diǎn)的行為，便可滿足您的應(yīng)用需求。 目前市場上更先進(jìn)的數(shù)字負(fù)載點(diǎn)將此便利性又推進(jìn)了一大步，推出“無補(bǔ)償”式設(shè)計。 在這些設(shè)計中，負(fù)載點(diǎn)在系統(tǒng)內(nèi)為您執(zhí)行所有必要的測量和調(diào)節(jié)，以持續(xù)提供反應(yīng)快速且穩(wěn)定可靠的輸出電壓軌。

冷卻要求

負(fù)載點(diǎn)模塊的最大制約因素之一是熱耗散。 低能效模塊設(shè)計會導(dǎo)致多余的內(nèi)部發(fā)熱，進(jìn)而造成關(guān)鍵組件（例如 FET、電感器、電容器等）達(dá)到其最高額定工作溫度。 操作時如果達(dá)到或高于這些元件的熱限制，可能會降低可靠性并導(dǎo)致硬件故障。

為了應(yīng)對內(nèi)部發(fā)熱的破壞性影響，負(fù)載點(diǎn)廠商通常推薦使用少量氣流從模塊吸走熱量。 這可以防止熱量在組件內(nèi)聚集并導(dǎo)致溫度超過其額定限制。 利用氣流去除模塊中的熱量通?？稍黾觽鬏?shù)截?fù)載的功率，還可擴(kuò)大環(huán)境工作溫度范圍。 以下圖示顯示了負(fù)載點(diǎn)模塊在不同氣流環(huán)境（從自然對流即靜止空氣到 3 m/s）中的能力：

圖 7：不同氣流條件下典型降額曲線圖示。

我們看到，在自然對流（即靜止空氣）條件下（表示為圖 7 中最下面的實(shí)線），此模塊可向高達(dá) 60°C 的負(fù)載輸送 43 A 電流。 僅僅增加 2 m/s 的氣流便可將載流量和環(huán)境工作溫度范圍分別增加至 50 A 滿額和 64°C（表示為圖 7 中的點(diǎn)劃線）。 不過，強(qiáng)制氣流冷卻也有其缺點(diǎn)：耗電，這可能抵消能效提升并產(chǎn)生不可接受的噪聲級。 當(dāng)選擇負(fù)載點(diǎn)時，設(shè)計師必須仔細(xì)權(quán)衡電源模塊的熱要求與其系統(tǒng)的冷卻能力。

結(jié)論

每種應(yīng)用各不相同，性能指標(biāo)偏重也不盡相同。 對于某些設(shè)計而言，快速瞬態(tài)響應(yīng)可能是最重要的考慮因素。 其它設(shè)計則可能需要最小的尺寸、最高的能效或最寬的工作溫度范圍。 不論營銷團(tuán)隊講得多么動聽，能夠同時滿足每種應(yīng)用的上述所有要求的負(fù)載點(diǎn)并不存在。 最重要的是，必須首先了解您的應(yīng)用在其特定操作條件下的需求。 然后才能比較并為您的設(shè)計選擇最佳的負(fù)載點(diǎn)。