尖端技术导入低功率 DC/DC 转换器

DC/DC 只是有源和无源组件集合在一起，那为什么它们没有成为另一个集成电路然后以相同的方式缩小呢？一个原因是它们运作时功耗通常很高，需要一些表面积散热，但随着新转换技术的效率提高这已不再是问题。主要的原因是大多数转换器所需的磁性组件，在几十年来一直坚持使用相同的制造技术和拥有大致相同的尺寸。相较之下，台积电 (TSMC) 在1988 年提供的 IC 几何尺寸为 3µm，而如今的尺寸比当时缩小了一千倍来到了 3nm [1]。

在同一时期，利用置件机的分立式表面贴装无源组件的尺寸也从 1206 缩小到 01005，占地面积减少了 50 多倍。相反的是自 80 年代以来，DC/DC 转换器变压器和扼流圈的磁芯尺寸几乎没有变化，这是由材料固有的最大磁通密度和开关频率决定，然后决定了最小绕组匝数。这几代的电源工程师是有所贡献的，新的转换拓扑、更好的组件和先进的热设计降低了损耗并提高了功率密度。这让 DC/DC 模块有更高的输出功率，以未稳压的 SIP7 转换器为例，输出功率可能仅提高了 3 倍（图 1）。

我们一直都有增加开关频率来缩小功率转换磁体的选择，通常会是藉由降低磁芯尺寸、绕组匝数或两个都采用的方式达到。然而随着开关频率的提升会导致半导体效率下降和磁芯损耗增加，因此在不升高内部温度的情况下整体外壳尺寸不一定会缩小。解决方法是设计更加复杂的转换器取得高效率，但这个方式过于昂贵。

转换器磁性部件的制造成本通常相对高昂也较难安装，法拉第所熟悉的组装技术至今几乎没有太多变化，也就是在磁芯上缠绕绝缘线然后将「飞线」焊接在基板上（图 2）。绝缘线径为0.18mm，磁芯外径6mm，内径3mm。绝缘骨架通常占用太多空间，而印刷绕组技术也不切实际因为考虑到所需的绕组匝数和数量再加上多层基板的成本太高，至少对低功率产品而言是如此的。

大多数低功率 DC/DC 转换器制造商采取的方法是尽量设计简单的电路和降低成本，例如使用传统的「Royer电路」（图 3）。节省下来的钱抵消了昂贵的人力成本，包括人工绕线和焊接到双面 PCB，之后再进行密封或包覆成型以保护易受损的端子。电路和装配技术在这些年来得到了改进，因此一个简单的非稳压转换器可能只使用大约 10 个分立组件，稳压转换器则使用 15 个。变压器和组装模块在低成本的地方制造，最终产品相当高效，提供隔离、宽工作温度范围，可在固定电平之间进行相当精确的电压转换。人工组装的一个好处是比较容易针对不同的输入或输出电压和额定功率生产出不同的版本，只需操作员增加或减少绕线圈数以达指定匝数。

这种方法也有不可避免的缺点。人工组装会让样品之间产生差异，而且难以为简单电路提供全面性的故障保护。如果没有更复杂的电路、更高的成本和更大的外壳，那么将隔离加强到安全认证级别是不切实际的。基本的 Royer 转换器没有线性或负载稳压，输出电压在负载很轻或无负载时显着上升。除此之外，虽然最终客户希望价格下降，但人力成本只会随着时间的推移增加，而且人力因素甚至不会随着产量的增加而减少。与此同时，市场面临着增加功能和效率以及缩小电源转换器尺寸以应对现代应用空间受限的压力。