尖端技術(shù)導(dǎo)入低功率DC/DC轉(zhuǎn)換器

低功率板載 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的制造技術(shù)，發(fā)展得比其他電子產(chǎn)品來得緩慢且獨(dú)立。幾十年來，典型的轉(zhuǎn)換器一直是通孔封裝的模塊或開放式表面貼裝的「子板」，雖然新產(chǎn)品持續(xù)推出，但引腳布局和外形尺寸從 1980 年代開始就沒有改變。但在其他地方例如接口、A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換器等其他功能塊不斷從分立式解決方案發(fā)展成更小的「芯片」，高度只有幾分之一毫米、占地面積僅比內(nèi)部裸片大一點(diǎn)，現(xiàn)在裸片在幾何空間上的走線能達(dá)到納米級別。

為什么DC/DC沒有跟上小型化趨勢？

DC/DC 只是有源和無源組件集合在一起，那為什么它們沒有成為另一個集成電路然后以相同的方式縮小呢？一個原因是它們運(yùn)作時功耗通常很高，需要一些表面積散熱，但隨著新轉(zhuǎn)換技術(shù)的效率提高這已不再是問題。主要原因是大多數(shù)轉(zhuǎn)換器所需的磁性組件，在幾十年來一直堅持使用相同的制造技術(shù)和擁有大致相同的尺寸。相較之下，臺積電 (TSMC) 在1988 年提供的IC 幾何尺寸為 3μm，而如今的尺寸比當(dāng)時縮小了一千倍達(dá)到3nm。在同一時期，利用置件機(jī)的分立式表面貼裝無源組件的尺寸也從 1206 縮小到 01005，占地面積減少了 50 多倍。相反的是自 80 年代以來，DC/DC 轉(zhuǎn)換器變壓器和扼流圈的磁芯尺寸幾乎沒有變化，這是由材料固有的最大磁通密度和開關(guān)頻率決定，然后決定了最小繞組匝數(shù)。這是幾代電源工程師的貢獻(xiàn)，新的轉(zhuǎn)換拓?fù)?、更好的組件和先進(jìn)的熱設(shè)計降低了損耗并提高了功率密度。這讓 DC/DC 模塊有更高的輸出功率，以未穩(wěn)壓的 SIP7 轉(zhuǎn)換器為例，輸出功率可能僅提高了 3 倍（圖 1）。

圖 1：這幾十年來低功率 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的功率密度僅提高了幾倍。左邊為1W，右邊3W，皆為 SIP7封裝。

優(yōu)化磁芯的選擇

我們一直都有增加開關(guān)頻率來縮小功率轉(zhuǎn)換磁體的選擇，通常會是藉由降低磁芯尺寸、繞組匝數(shù)或兩個都采用的方式達(dá)到。然而隨著開關(guān)頻率的提升會導(dǎo)致半導(dǎo)體效率下降和磁芯損耗增加，因此在不升高內(nèi)部溫度的情況下整體外殼尺寸不一定會縮小。解決方法是設(shè)計更加復(fù)雜的轉(zhuǎn)換器取得高效率，但這個方式過于昂貴。

轉(zhuǎn)換器磁性部件的制造成本通常相對高昂也較難安裝，法拉第所熟悉的組裝技術(shù)至今幾乎沒有太多變化，也就是在磁芯上纏繞絕緣線然后將「飛線」焊接在基板上（圖 2）。絕緣骨架通常占用太多空間，而印刷繞組技術(shù)也不切實際因為考慮到所需的繞組匝數(shù)和數(shù)量再加上多層基板的成本太高，至少對低功率產(chǎn)品而言是如此。

圖 2：低功率 DC/DC 轉(zhuǎn)換器應(yīng)用和端接變壓器的傳統(tǒng)做法。絕緣線徑為0.18mm，磁芯外徑6mm，內(nèi)徑3mm

制造商選擇簡單設(shè)計以降低零件成本

大多數(shù)低功率 DC/DC 轉(zhuǎn)換器制造商采取的方法是盡量設(shè)計簡單的電路和降低成本，例如使用傳統(tǒng)的「Royer電路」（圖 3）。節(jié)省下來的錢抵消了昂貴的人力成本，包括人工繞線和焊接到雙面 PCB，之后再進(jìn)行密封或包覆成型以保護(hù)易受損的端子。電路和裝配技術(shù)在這些年來得到了改進(jìn)，因此一個簡單的非穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器可能只使用大約 10 個分立組件，穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器則使用 15 個。變壓器和組裝模塊在低成本的地方制造，最終產(chǎn)品相當(dāng)高效，提供隔離、寬工作溫度范圍，可在固定電平之間進(jìn)行相當(dāng)精確的電壓轉(zhuǎn)換。人工組裝的一個好處是比較容易針對不同的輸入或輸出電壓和額定功率生產(chǎn)出不同的版本，只需操作員增加或減少繞線圈數(shù)以達(dá)指定匝數(shù)。

圖 3：「Royer電路」讓隔離式轉(zhuǎn)換器擁有最少的組件數(shù)

這種方法也有不可避免的缺點(diǎn)。人工組裝會讓樣品之間產(chǎn)生差異，而且難以為簡單電路提供全面性的故障保護(hù)。如果沒有更復(fù)雜的電路、更高的成本和更大的外殼，那么將隔離加強(qiáng)到安全認(rèn)證級別是不切實際的。基本的 Royer 轉(zhuǎn)換器沒有線性或負(fù)載穩(wěn)壓，輸出電壓在負(fù)載很輕或無負(fù)載時顯著上升。除此之外，雖然最終客戶希望價格下降，但人力成本只會隨著時間的推移增加，而且人力因素甚至不會隨著產(chǎn)量的增加而減少。與此同時，市場面臨著增加功能和效率以及縮小電源轉(zhuǎn)換器尺寸以應(yīng)對現(xiàn)代應(yīng)用空間受限的壓力。

努力達(dá)到最好

電源設(shè)計人員有一個夢想來打破這個模式，就是將控制 IC 與各種功能結(jié)合在一起，包括高頻和高效運(yùn)作、可選的有源調(diào)節(jié)和全面保護(hù)，然后在變壓器多層基板上使用貼片式平面磁芯和印刷繞組等技術(shù)。由于多了必要的支持組件，因此IC 解決方案和嵌入式變壓器的零件成本明顯比簡單的 Royer 電路來得高，但卻有了更靈活的自動化裝配和規(guī)模經(jīng)濟(jì)，滿足市場對更好性能和一致性的要求，功率密度也更高且成本保持不變。

RECOM就是利用這個方法，他們將這個尖端技術(shù)引進(jìn)低功率 DC/DC 轉(zhuǎn)換器成為「K」系列。我們將巨額資金投入在自動化生產(chǎn)以大幅降低人力成本，并使用大量基板和組件以將零組件成本降至最低。同時，創(chuàng)新的設(shè)計技術(shù)允許制造過程中輕松配置產(chǎn)品以滿足不同變體的需求。

以市場上的新品為例

一個采用新技術(shù)產(chǎn)品的例子是RECOM RKK 系列，集成了控制器和平面變壓器以提高性能并實現(xiàn)全自動化組裝。該公司為了兼容性決定保留SIP7 封裝，并將該部件的額定功率定在 1W，利用提高效率擴(kuò)展工作溫度范圍，目前不降額時最高可達(dá) 105°C 。1W 的額定功率適合很多應(yīng)用，通常是為隔離式通信接口或高側(cè)柵極驅(qū)動器供電。更寬的溫度范圍開辟了更廣闊的市場，例如高規(guī)格工業(yè)和汽車業(yè)。與早期產(chǎn)品相比，RKK 系列的差異和增強(qiáng)性能總結(jié)（圖 4）。隨著銷售價格降低，銷量顯著提高。雖然新產(chǎn)品未穩(wěn)壓，但對輸入電壓變化有一定程度的補(bǔ)償，例如 +/-10% 的輸入電壓變化的輸出變化小于 +/-5%。另一個特點(diǎn)是部件不需要封裝，這樣既可以減輕重量又可以降低成本。該系列有一個版本提供后置穩(wěn)壓輸出能滿足高精度需求。

圖4：基本 Royer 和 RECOM RKK 系列 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的差異和性能一覽表

新的進(jìn)展

RECOM 的新技術(shù)理念也應(yīng)用在非隔離 DC/DC轉(zhuǎn)換器，升級了廣受歡迎的 R-78 系列直接替代線性穩(wěn)壓器。升級更名為 R-78K的穩(wěn)壓器效率提高至 96%，輸入范圍擴(kuò)展至 36V，不降額工作溫度達(dá) 90°C。

更多的 RECOM 產(chǎn)品將升級為「K版」，以順應(yīng)使用先進(jìn)的電路和制造技術(shù)取代簡單的傳統(tǒng)設(shè)計的趨勢，還不會增加成本。請隨時關(guān)注我們的新產(chǎn)品「razor」動態(tài)信息，提早享受「尖端」科技帶來的優(yōu)勢。