DC/DC转换器的要求

亚历山德罗·朱塞佩·安东尼奥·阿纳斯塔西奥·伏特和安德烈-马里·安培绝对不会想到今天我们高度技术化的世界是无法在没有电压和电力的情况下正常运转的。

如果没有电源，几乎所有的东西都会停止运转；从简单的消费设备到 LED 照明、计算机网络、帮助我们保持健康的医疗设备、卫星或我们用来探索遥远宇宙的哈勃望远镜，以及船舰和电动汽车。现在如果没有卫星导航系统船舶将很难到达目的港，而飞机需要额外的导航仪。那么“电动汽车”呢？电动汽车必须确保安全，而且它们现在甚至可以自动驾驶！车辆正在被重新定义。现在可以没有方向盘了，而我们全部坐在后座。三台车载电脑，无数个传感器，无数多的软件，以及人工智能！当一切结合起来并正常运作时，我们将放手交给技术，拉下百叶窗，放松身心的抵达目的地。好吧，这些虽然还是有些遥远，但许多技术却已经开始应用在残疾人士的车辆中。

笨重的牵引电池提供动力给发动机，而其他的消费电子产品也由牵引电池供电，例如人工智能车载计算机，但它们需要较低的12V、18V、24V 的电压。微控制器及外围设备以 5V、3.3V 或 1.8V 电压工作，而这些是从 12V 衍生而来的。现在我们已经开始对 DC/DC 转换器有硬性要求，它们必须像整个计算机一样安全可靠地工作。不幸的是，由于能量守恒定律它们也会变热。每当东西开始发热（或者变烫）就会开始老化。在低温的情况下老化并不明显，但器件越热老化的过程就越快，而电解电容器的老化甚至直接取决于温度。以现有的器件技术，只有良好的散热才能有所改善。风扇通常是不被考虑的，因此唯一的散热方法是通过导热材料将热量直接传递到外壳，例如铝制底板。第二个技巧是不使用大型 DC/DC 转换器，而是将几个小型转换器分布在一个大区域（分布式电源架构）。这种做法的另一个优点是在需要的地方产生电压。微控制器直接从 12V 电压轨（内部电源总线）产生 3.3V 电压，而处理传感器信号的模拟电路附近也有 12V/5V 转换器。这种架构也称为PoL（负载点）。除了分散热量以外也具有EMC的优势。

根据到目前为止的内容，我们可以看到小型高效的 DC/DC 转换器越来越重要，同时也决定了设备的架构。

除了上述的要求以外，转换器的尺寸要越小越好，同时提供高度恒定和准确的输出电压，即使在负载跳变时也能保持在规定的范围之内。转换器必须具有较宽的输入电压范围以及成本效益。在大多数的情况下，这些要求实际上只能通过开关稳压器来实现，因为串联稳压器会产生过多的废热。然而开关稳压器需要在输出端进行符合 EMC 标准的滤波，有时在输入端也需要滤波。因此选择转换器时需要知道它已满足的标准，然后再来决定需要哪些滤波器。

市场上常见的转换器功率范围从几百毫瓦到几百瓦不等。由于额定功率不同，常见的设计也不同。从功率范围约 10W 的 SMD、SIL 或 DIL，到功率约 40W 的几英寸大小，再到高功率的砖式转换器。所谓的全砖的尺寸是 117 mm x 61 mm。

为了举一个开关稳压器的例子，我们特意选择低功率转换器，因为小转换器特别难实现高效率和高功率密度。这个例子就是RPX-4.0，一种采用热优化 QFN 封装，具有极高功率密度的微型降压转换器。

它的重量仅2g，特别适用于重量受限的应用，例如无人机、加速电路和便携式设备。在 5V 输出电压下，功率密度为 180W/cm³！

宽输入电压范围涵盖所有常见的电池电压，因此可以用在几乎所有电池供电的产品上。

方便好用的 CTRL 输入可将 RPX-4.0 设定在睡眠模式或使用低功率控制信号切换到高输出电流，也可轻松用作紧急停止的功能。RPX.4.0 提供高达 4 安培的电流，这在如此小的器件中非常少见，但对步进电机驱动器、高启动电流应用或激光电源来说已十分足够。

RPX-4.0的输入电压范围为 3.8 至 36V，使用两个电阻调节可提供1至7V输出电压和 4A电流。凭借着 5mm x 5.5mm 的紧凑尺寸和仅 4.1mm 的高度，这款降压转换器模块在功率密度上树立了新的标准。RPX-4.0 具有欠压、短路、过流和过热的全面保护功能。

图 1：效率与负载RPX-4.0 (Vout = 5VDC, Tamb = 25°C)

高效的RPX-4.0全功率工作温度最高可达65°C，并根据型号和安装配置的不同，功率减少时可高达 90°C。低输出功率时效率曲线上升，也就是说转换器适合用在中低输出功率。这主要是通过智能控制开关频率和一个屏蔽的集成存储扼流圈来实现，同时确保低 EMI。该设计遵循 RECOM 的3D Power Packaging®高功率密度技术，在引线框结构上使用倒装芯片。RECOM提供 3 年质量保证，也提供RPX-4.0-EVM-1评估板，客户可以测试所有产品功能并优化滤波以满足目标系统的要求。

如果 LED 由电压源供电，它们需要串联电阻来限制电流和调整工作点，产生额外的功率损耗。如果使用电流源来为 LED 供电则可以避免这种情况。使用稳压器和运算放大器可以实现简单的电路，对 LED来说具有电流源特性：

图2：电流源应用示例

图3：输出特性曲线图

使用 RECOM 3DPP® 技术的RPX-4.0 比传统转换器具有更高的功率密度，如比较图所示，全都使用相同的规模。尽管RPX-4.0小得令人难以置信，但出色的内部热管理设计能让转换器满载工作且无需强制冷却。