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技術(shù)專題
不斷發(fā)展的DC-DC轉(zhuǎn)換器
DC-DC轉(zhuǎn)換器是現(xiàn)代電子電源的核心。它提供了從一個(gè)電壓電平到多個(gè)其他電壓電平的轉(zhuǎn)換。dc-dc轉(zhuǎn)換器既可以作為您自己設(shè)計(jì)的核心IC，又可以作為模塊和積木使用（請(qǐng)參閱本文末尾的“積木是什么？”）。后兩種類型通過(guò)提供可以集成到較大電源的產(chǎn)品來(lái)消除大量的原始設(shè)計(jì)。
多年來(lái)，dc-dc轉(zhuǎn)換器已成為設(shè)置和維持工作電壓并提高效率同時(shí)增加功率密度的主要組件。古老設(shè)備的摘要更新說(shuō)明了它如何進(jìn)行更改以滿足多種驅(qū)動(dòng)因素。
當(dāng)今的電源系統(tǒng)使用兩種主要類型的體系結(jié)構(gòu)：分布式體系結(jié)構(gòu)和中間總線體系結(jié)構(gòu)。圖1a示出了分布式布置。傳統(tǒng)的AC-DC電源會(huì)生成一條主DC總線，該總線已分配到設(shè)備的所有部分。IC和其他設(shè)備所需的DC電壓由負(fù)載點(diǎn)（POL）DC-DC轉(zhuǎn)換器/調(diào)節(jié)器產(chǎn)生。
示出了分布式總線架構(gòu)（a）和中間總線架構(gòu)（b）。
中間總線布置如圖1b所示。交流電源的主直流配電總線連接到每個(gè)主要子系統(tǒng)或產(chǎn)生中間總線的印刷電路板（PCB）中的DC-DC轉(zhuǎn)換器。從那里，POL DC-DC轉(zhuǎn)換器接管，為負(fù)載創(chuàng)建單獨(dú)的電源電壓。
趨勢(shì)與目標(biāo)
dc-dc轉(zhuǎn)換器規(guī)格和功能有幾個(gè)主要驅(qū)動(dòng)因素。這些驅(qū)動(dòng)因素是當(dāng)今影響電源設(shè)計(jì)的趨勢(shì)：
較低的電源電壓：大型MPU，FPGA和ASIC越來(lái)越多地采用了極低的內(nèi)核電源電壓。電壓范圍為0.6至1.8V。與此同時(shí)，從這些器件汲取的電流已從數(shù)十安培急劇增加到數(shù)百安培。一些新設(shè)備在1 V或更低的電壓下工作，而消耗的電流超過(guò)500A。
更高的效率：減少能耗和降低熱量水平的努力已將效率推到了優(yōu)先事項(xiàng)的首位。
過(guò)渡到48 V：電源總線電壓通常為12 V，但已使用5、24、28和36 V總線。一個(gè)主要趨勢(shì)是在48 V上實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。這種更高的電壓具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，包括提高效率和減少I 2 R損耗。較高的電壓會(huì)降低相同功率水平下的電流。結(jié)果是功耗降低了16倍。許多新產(chǎn)品和系統(tǒng)正在過(guò)渡到48 V，例如電動(dòng)工具，工業(yè)設(shè)備（例如機(jī)器人）和叉車。數(shù)據(jù)中心是48V系統(tǒng)的主要采用者。而且，當(dāng)然，汽車正在逐漸向48V系統(tǒng)過(guò)渡，以補(bǔ)充現(xiàn)有的12V系統(tǒng)。
增加的功率密度：所有設(shè)計(jì)人員似乎都希望在更小的封裝中實(shí)現(xiàn)上述功能。但是，很難實(shí)現(xiàn)功率密度的提高。一種常見(jiàn)的方法是使用較高的開關(guān)頻率，以減小電感器和電容器的尺寸。將所有這些組件和模塊放在較小的空間中會(huì)產(chǎn)生散熱問(wèn)題。巧妙的機(jī)械包裝可以很大程度地減少此問(wèn)題。
提高可靠性：應(yīng)該實(shí)現(xiàn)所有這些目標(biāo)，但是保持或提高設(shè)備的可靠性是設(shè)計(jì)人員面臨的另一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
當(dāng)前電源設(shè)計(jì)的一個(gè)很好的例子是云存儲(chǔ)和計(jì)算業(yè)務(wù)的快速且巨大的增長(zhǎng)。這導(dǎo)致主要參與者（Amazon，IBM，Microsoft等）的數(shù)據(jù)中心添加了更多機(jī)架服務(wù)器。這一增長(zhǎng)增加了數(shù)千臺(tái)新服務(wù)器，在某些情況下還增加了一百萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器。
由于能耗很高，因此還需要降低電氣服務(wù)成本，以降低數(shù)據(jù)中心的熱量水平并降低空調(diào)成本。更高的效率將有助于控制能源成本，而較小的包裝則可為數(shù)據(jù)中心提供更多空間以供將來(lái)擴(kuò)展。
其他一些趨勢(shì)和目標(biāo)是：
增加使用GaN晶體管等寬帶隙器件來(lái)提高效率。
通過(guò)更多3D設(shè)計(jì)改進(jìn)了包裝。
越來(lái)越多地使用功率因數(shù)校正（PFC）。
降低空載功耗。
越來(lái)越多地使用電源管理。
能源管理
電源管理是指使用DC-DC轉(zhuǎn)換器的數(shù)字控制來(lái)優(yōu)化產(chǎn)品或系統(tǒng)中的電源傳輸并提供保護(hù)。電源管理IC或子系統(tǒng)調(diào)節(jié)，控制和分配產(chǎn)品電源。一些電源管理芯片包括兩個(gè)或多個(gè)dc-dc轉(zhuǎn)換器，也許還包括一些LDO。轉(zhuǎn)換器還可以包括用于在更高的電壓和/或更高的電流下使用外部MOSFET功率器件的驅(qū)動(dòng)器。
另一個(gè)功能是電源監(jiān)視和控制電路。這些電路可測(cè)量和數(shù)字化輸入和輸出電壓，電流以及內(nèi)部和外部溫度。其他控件可能涉及設(shè)置來(lái)自外部電源的輸出電壓的能力。過(guò)壓和過(guò)流檢測(cè)提供信號(hào)以關(guān)閉設(shè)備，以防止損壞。
大多數(shù)電源管理IC都包含一個(gè)PMBus通信端口，以提供外部編程以及監(jiān)視和控制功能。PMBus是流行的I 2 C串行接口的變體。
一些使用最廣泛的電源管理芯片是用于監(jiān)視狀態(tài)并提供反饋的手機(jī)中的那些芯片。這樣的芯片還包括電池充電器和其他電池相關(guān)的電路。
特殊用途的DC-DC轉(zhuǎn)換器
DC-DC轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用，幾乎是當(dāng)今生產(chǎn)的每種電子產(chǎn)品內(nèi)部都有一個(gè)或多個(gè)它們。但是，它們出現(xiàn)在一些非常不尋常的產(chǎn)品，設(shè)備和系統(tǒng)中。
這些特殊情況之一就是用于種植珊瑚的系統(tǒng)。研究人員創(chuàng)建了一個(gè)系統(tǒng)，其中在將兩個(gè)電極浸入海水中的同時(shí)在兩個(gè)電極之間施加精確的1.2至4 V直流電壓，從而導(dǎo)致碳酸鈣（石灰石）的生長(zhǎng)。這種石灰石支持珊瑚的生長(zhǎng)并加快了進(jìn)程。
大型系統(tǒng)可以部署在珊瑚全部或部分枯竭的近海區(qū)域。這種用于海上部署的大規(guī)模系統(tǒng)需要重型，高輸出DC-DC轉(zhuǎn)換器。在太陽(yáng)，風(fēng)或波浪作用的驅(qū)動(dòng)下，DC-DC轉(zhuǎn)換器會(huì)將高電流饋入海水中以產(chǎn)生石灰石。