尖端技術導入低功率DC/DC轉換器

低功率板載 DC/DC 轉換器的制造技術，發展得比其他電子產品來得緩慢且獨立。幾十年來，典型的轉換器一直是通孔封裝的模塊或開放式表面貼裝的「子板」，雖然新產品持續推出，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 轉換器等其他功能塊不斷從分立式解決方案發展成更小的「芯片」，高度只有幾分之一毫米、占地面積僅比內部裸片大一點，現在裸片在幾何空間上的走線能達到納米級別。

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？一個原因是它們運作時功耗通常很高，需要一些表面積散熱，但隨著新轉換技術的效率提高這已不再是問題。主要原因是大多數轉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，而如今的尺寸比當時縮小了一千倍達到3nm。在同一時期，利用置件機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頻率決定，然后決定了最小繞組匝數。這是幾代電源工程師的貢獻，新的轉換拓撲、更好的組件和先進的熱設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，以未穩壓的 SIP7 轉換器為例，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。

優化磁芯的選擇

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

轉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，而印刷繞組技術也不切實際因為考慮到所需的繞組匝數和數量再加上多層基板的成本太高，至少對低功率產品而言是如此。

圖 2：低功率 DC/DC 轉換器應用和端接變壓器的傳統做法。絕緣線徑為0.18mm，磁芯外徑6mm，內徑3mm

制造商選擇簡單設計以降低零件成本

大多數低功率 DC/DC 轉換器制造商采取的方法是盡量設計簡單的電路和降低成本，例如使用傳統的「Royer電路」（圖 3）。節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，之后再進行密封或包覆成型以保護易受損的端子。電路和裝配技術在這些年來得到了改進，因此一個簡單的非穩壓轉換器可能只使用大約 10 個分立組件，穩壓轉換器則使用 15 個。變壓器和組裝模塊在低成本的地方制造，最終產品相當高效，提供隔離、寬工作溫度范圍，可在固定電平之間進行相當精確的電壓轉換。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出不同的版本，只需操作員增加或減少繞線圈數以達指定匝數。

圖 3：「Royer電路」讓隔離式轉換器擁有最少的組件數

這種方法也有不可避免的缺點。人工組裝會讓樣品之間產生差異，而且難以為簡單電路提供全面性的故障保護。如果沒有更復雜的電路、更高的成本和更大的外殼，那么將隔離加強到安全認證級別是不切實際的?；镜?Royer 轉換器沒有線性或負載穩壓，輸出電壓在負載很輕或無負載時顯著上升。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換器尺寸以應對現代應用空間受限的壓力。

努力達到最好

電源設計人員有一個夢想來打破這個模式，就是將控制 IC 與各種功能結合在一起，包括高頻和高效運作、可選的有源調節和全面保護，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。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模經濟，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引進低功率 DC/DC 轉換器成為「K」系列。我們將巨額資金投入在自動化生產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，創新的設計技術允許制造過程中輕松配置產品以滿足不同變體的需求。

以市場上的新品為例

一個采用新技術產品的例子是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，利用提高效率擴展工作溫度范圍，目前不降額時最高可達 105°C 。1W 的額定功率適合很多應用，通常是為隔離式通信接口或高側柵極驅動器供電。更寬的溫度范圍開辟了更廣闊的市場，例如高規格工業和汽車業。與早期產品相比，RKK 系列的差異和增強性能總結（圖 4）。隨著銷售價格降低，銷量顯著提高。雖然新產品未穩壓，但對輸入電壓變化有一定程度的補償，例如 +/-10% 的輸入電壓變化的輸出變化小于 +/-5%。另一個特點是部件不需要封裝，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壓輸出能滿足高精度需求。

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

新的進展

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

更多的 RECOM 產品將升級為「K版」，以順應使用先進的電路和制造技術取代簡單的傳統設計的趨勢，還不會增加成本。請隨時關注我們的新產品「razor」動態信息，提早享受「尖端」科技帶來的優勢。