DC-DC转换器哪些驱动因素会影响电源设计的趋势
发布日期:2022-04-06
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DC-DC转换器是现代电子电源的核心。它提供了从一个电压电平到多个其他电压电平的转换。dc-dc转换器既可以作为您自己设计的核心IC，又可以作为模块和积木使用（请参阅本文末尾的“积木是什么？”）。后两种类型通过提供可以集成到较大电源的产品来消除大量的原始设计。
多年来，dc-dc转换器已成为设置和维持工作电压并提高效率同时增加功率密度的主要组件。古老设备的摘要更新说明了它如何进行更改以满足多种驱动因素。
当今的电源系统使用两种主要类型的体系结构：分布式体系结构和中间总线体系结构。图1a示出了分布式布置。传统的AC-DC电源会生成一条主DC总线，该总线已分配到设备的所有部分。IC和其他设备所需的DC电压由负载点（POL）DC-DC转换器/调节器产生。
示出了分布式总线架构（a）和中间总线架构（b）。
中间总线布置如图1b所示。交流电源的主直流配电总线连接到每个主要子系统或产生中间总线的印刷电路板（PCB）中的DC-DC转换器。从那里，POL DC-DC转换器接管，为负载创建单独的电源电压。
多年来，dc-dc转换器已成为设置和维持工作电压并提高效率同时增加功率密度的主要组件。古老设备的摘要更新说明了它如何进行更改以满足多种驱动因素。
当今的电源系统使用两种主要类型的体系结构：分布式体系结构和中间总线体系结构。图1a示出了分布式布置。传统的AC-DC电源会生成一条主DC总线，该总线已分配到设备的所有部分。IC和其他设备所需的DC电压由负载点（POL）DC-DC转换器/调节器产生。
示出了分布式总线架构（a）和中间总线架构（b）。
中间总线布置如图1b所示。交流电源的主直流配电总线连接到每个主要子系统或产生中间总线的印刷电路板（PCB）中的DC-DC转换器。从那里，POL DC-DC转换器接管，为负载创建单独的电源电压。
趋势与目标
dc-dc转换器规格和功能有几个主要驱动因素。这些驱动因素是当今影响电源设计的趋势：
较低的电源电压：大型MPU，FPGA和ASIC越来越多地采用了极低的内核电源电压。电压范围为0.6至1.8V。与此同时，从这些器件汲取的电流已从数十安培急剧增加到数百安培。一些新设备在1 V或更低的电压下工作，而消耗的电流超过500A。
更高的效率：减少能耗和降低热量水平的努力已将效率推到了优先事项的首位。
过渡到48 V：电源总线电压通常为12 V，但已使用5、24、28和36 V总线。一个主要趋势是在48 V上实现标准化。这种更高的电压具有多项优势，包括提高效率和减少I 2 R损耗。较高的电压会降低相同功率水平下的电流。结果是功耗降低了16倍。许多新产品和系统正在过渡到48 V，例如电动工具，工业设备（例如机器人）和叉车。数据中心是48V系统的主要采用者。而且，当然，汽车正在逐渐向48V系统过渡，以补充现有的12V系统。
增加的功率密度：所有设计人员似乎都希望在更小的封装中实现上述功能。但是，很难实现功率密度的提高。一种常见的方法是使用较高的开关频率，以减小电感器和电容器的尺寸。将所有这些组件和模块放在较小的空间中会产生散热问题。巧妙的机械包装可以很大程度地减少此问题。
提高可靠性：应该实现所有这些目标，但是保持或提高设备的可靠性是设计人员面临的另一个关键挑战。
当前电源设计的一个很好的例子是云存储和计算业务的快速且巨大的增长。这导致主要参与者（Amazon，IBM，Microsoft等）的数据中心添加了更多机架服务器。这一增长增加了数千台新服务器，在某些情况下还增加了一百万台服务器。
当前电源设计的一个很好的例子是云存储和计算业务的快速且巨大的增长。这导致主要参与者（Amazon，IBM，Microsoft等）的数据中心添加了更多机架服务器。这一增长增加了数千台新服务器，在某些情况下还增加了一百万台服务器。
由于能耗很高，因此还需要降低电气服务成本，以降低数据中心的热量水平并降低空调成本。更高的效率将有助于控制能源成本，而较小的包装则可为数据中心提供更多空间以供将来扩展。
其他一些趋势和目标是：
增加使用GaN晶体管等宽带隙器件来提高效率。
通过更多3D设计改进了包装。
越来越多地使用功率因数校正（PFC）。
降低空载功耗。
越来越多地使用电源管理。
能源管理
电源管理是指使用DC-DC转换器的数字控制来优化产品或系统中的电源传输并提供保护。电源管理IC或子系统调节，控制和分配产品电源。一些电源管理芯片包括两个或多个dc-dc转换器，也许还包括一些LDO。转换器还可以包括用于在更高的电压和/或更高的电流下使用外部MOSFET功率器件的驱动器。
另一个功能是电源监视和控制电路。这些电路可测量和数字化输入和输出电压，电流以及内部和外部温度。其他控件可能涉及设置来自外部电源的输出电压的能力。过压和过流检测提供信号以关闭设备，以防止损坏。
大多数电源管理IC都包含一个PMBus通信端口，以提供外部编程以及监视和控制功能。PMBus是流行的I 2 C串行接口的变体。
一些使用最广泛的电源管理芯片是用于监视状态并提供反馈的手机中的那些芯片。这样的芯片还包括电池充电器和其他电池相关的电路。特殊用途的DC-DC转换器
DC-DC转换器可实现各种应用，几乎是当今生产的每种电子产品内部都有一个或多个它们。但是，它们出现在一些非常不寻常的产品，设备和系统中。
这些特殊情况之一就是用于种植珊瑚的系统。研究人员创建了一个系统，其中在将两个电极浸入海水中的同时在两个电极之间施加精确的1.2至4 V直流电压，从而导致碳酸钙（石灰石）的生长。这种石灰石支持珊瑚的生长并加快了进程。
大型系统可以部署在珊瑚全部或部分枯竭的近海区域。这种用于海上部署的大规模系统需要重型，高输出DC-DC转换器。在太阳，风或波浪作用的驱动下，DC-DC转换器会将高电流馈入海水中以产生石灰石。
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