【導讀】功率轉換是各種電子產(chǎn)品設計的基礎，為滿(mǎn)足不同的應用與產(chǎn)品需求，均需要進(jìn)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(fā)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(lèi)型與性能差異
功率轉換類(lèi)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(lèi)型，包括非穩壓開(kāi)關(guān)電源或模塊、穩壓開(kāi)關(guān)電源或模塊與芯片級功率轉換器，采用這些電源結構都會(huì )增加控制電路的復雜性，而前兩種類(lèi)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(jiǎn)單的解決方案，這類(lèi)的解決方案的成本以變壓器為主，數量合適的話(huà)，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(huì )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(zhì)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(lèi)似，控制器將功率切換到變壓器中。這類(lèi)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(gè)反饋通道，這會(huì )大幅增加設計的成本和尺寸。
芯片級轉換器技術(shù)是ADI公司針對iCoupler?數字隔離器產(chǎn)品而開(kāi)發(fā)的，基于該技術(shù)已產(chǎn)生一類(lèi)新型DC-DC轉換器。該技術(shù)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。
芯片級轉換器具有更佳的功率轉換優(yōu)勢
大部分設計師需要實(shí)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(zhù)高于額定值時(shí)，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(shí)，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(gè)較好的選擇。
尺寸則是這些解決方案下一個(gè)比較點(diǎn)，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(gè)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(gè)區別因素是工作頻率。開(kāi)關(guān)電流會(huì )給電源帶來(lái)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(jìn)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(huì )引起紋波，但最大噪聲源高于A(yíng)DC的帶寬，可將其輕松濾除。
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A(yíng)DI公司的iCoupler?技術(shù)，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(shù)，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(dòng)偏置和柵極驅動(dòng)、隔離傳感器接口與工業(yè)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(jìn)行極少的設計工作就能安全且輕松地應用電源。
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(pán)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(gè)位置。isoPower器件采用高頻大功率開(kāi)關(guān)電路來(lái)實(shí)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(mǎn)足CISPER22 Class A或Class B的要求，具體取決于電壓和負載范圍。
模擬序列發(fā)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(gè)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(jiàn)。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(shuō)，這些電壓必須生成兩次。一個(gè)例子是實(shí)現兩個(gè)相同的電壓來(lái)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(shí)間為不同負載提供能量。
在具有多個(gè)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(gè)電壓域的系統中看似微不足道的事情，對于眾多電壓來(lái)說(shuō)將變得非常復雜。因此，許多序列發(fā)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(fā)生器IC可以控制和監控四個(gè)電壓域，電壓的上電和斷電是通過(guò)控制相應電壓轉換器上的啟用（開(kāi)／關(guān)）引腳來(lái)執行的。電壓轉換器的開(kāi)啟時(shí)間，可以通過(guò)使用小電容器的時(shí)間延遲進(jìn)行調整，相應的輸出電壓通過(guò)相應的監控引腳進(jìn)行監控，建立所有電壓后，序列發(fā)生器電路會(huì )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(fā)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(méi)有PMBus或類(lèi)似協(xié)議的情況下工作。在具有四個(gè)以上電壓域的系統進(jìn)行排序和監控時(shí)，可以按順序組合多個(gè)ADM1186-1電路，并且可以將任意數量的ADM1186-1序列發(fā)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(shí)的斷電，類(lèi)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(gè)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(guān)閉電壓。
高度可配置、多輸出級聯(lián)降壓轉換器
自從ADI并購了Linear之后，將Linear的電源產(chǎn)品與ADI的電源管理產(chǎn)品相結合，可為客戶(hù)帶來(lái)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(chē)、電信、工業(yè)和其他需要從高達60V的輸入電壓獲得多個(gè)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L(cháng)TC3372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(gè)低電壓部分由八個(gè)1 A、可并聯(lián)的功率級組成。這些級可以多種方式排列以提供兩個(gè)、三個(gè)或四個(gè)信道，每個(gè)信道由一到四個(gè)級組成，具體取決于每個(gè)信道的負載要求，最多可以實(shí)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(gè)IC來(lái)進(jìn)行各種設計，同時(shí)使用最少的外部組件和較小的總體占用空間。此外，每個(gè)通道的輸出可設置為0.8 V至LVIN。開(kāi)關(guān)頻率范圍為1 MHz至3 MHz。
LTC3372為設計人員提供了一個(gè)靈活、高度集成的解決方案，用于從高輸入電壓提供多個(gè)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(gè)中間軌，單片LV穩壓器可以提供多達四個(gè)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(yǔ)
功率轉換是電子產(chǎn)品設計的關(guān)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(chǎn)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(mǎn)足您在不同應用的各種需求，值得您進(jìn)一步深入了解與采用。
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