【導讀】電氣化是第二次工業(yè)革命的典型標志。雖然我們當下正在推動以“工業(yè)4.0”為代表的第四次工業(yè)革命,但電力依然是國民經濟和人民生活主要的能量來源。隨著新能源理念的推行,電氣化的滲透率在穩(wěn)步上升。
以汽車電子/電氣化趨勢為例,根據中國乘聯會的統(tǒng)計數據,2021年8月份中國新能源汽車滲透率已經突破20%大關,并將持續(xù)提升。業(yè)內人士指出,預計2022年中國新能車滲透率有望提前突破35%大關。在新能源的推動下,多元化的電源轉換需求密集爆發(fā),大量DC-DC、DC-AC升/降壓轉換器件出現在車子的各個區(qū)域。
電源轉換器件的分類
隨著用電場景愈發(fā)豐富,電源轉換器件的種類也變得越來越多,在這里我們先簡單對各類型電源轉換IC進行統(tǒng)計。
先看DC/DC轉換器,可以說這是工程師朋友最為熟悉的電源轉換器件,其主要作用是轉變輸入電壓并有效輸出固定電壓。在DC/DC轉換器下面,還有更細分的劃分,包括升壓型DC/DC轉換器、降壓型DC/DC轉換器以及升降壓型DC/DC轉換器。
AC/DC轉換器則負責將交流電轉化成為直流電,其功率流向可以是雙向的,包括整流和有源逆變。對于AC/DC轉換器,生活中最常見的使用場景就是開關電源,采用PWM原理調制出正弦波波形,再通過變壓器變換電壓,最后整流輸出;對于DC/AC轉換器,一般由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成,最常見的應用是在電機領域,尤其是在新能源汽車領域,將電池組輸出的直流電能轉換成交流電,用以驅動動力電機。
電源轉換模塊的優(yōu)勢
在方案開發(fā)的過程中,單一的轉換器芯片并不能直接應用到系統(tǒng)方案中,還需要輔助以外圍器件,包括各種無源器件和不同功能的穩(wěn)壓器芯片,最終才能將達標的電能傳輸給負載。
為了幫助工程師朋友更好地使用電源轉換器,縮短產品上市的周期,各大制造商都在積極地推廣電源轉換模塊。在相應的模塊中集成高性能數字PWM控制器、雙相功率MOSFET、電感器和無源器件等,不僅降低了轉換器的使用難度,同時在板載空間方面得到增強。
以貿澤電子正在銷售的來自制造商Vicor的DCM3717非隔離式穩(wěn)壓DC/DC轉換器模塊為例。該模塊集成了降壓-升壓穩(wěn)壓器和正弦振幅轉換器(SAC),外形尺寸僅為36.7*17.3*7.42mm,具有靈活的散熱管理選項,能夠幫助用戶達成以前無法實現的系統(tǒng)尺寸、重量和效率。
圖1:DCM3717非隔離式穩(wěn)壓DC/DC轉換器模塊
(圖源:Vicor)
在產品設計方面,Vicor獲得專利的高性能ZVS降壓-升壓穩(wěn)壓器和競品的硬開關解決方案相比優(yōu)勢明顯。通過圖2能夠看出,在24VIN至2.5VOUT(9.6:1)10A設計中,Vicor的ZVS降壓拓撲和硬開關解決方案滿載效率相差近6.5%,9A測量點功率損耗提升52%以上。
圖2:Vicor的ZVS降壓拓撲和硬開關解決方案實測性能對比(圖源:Vicor)
通過集成高性能ZVS降壓-升壓穩(wěn)壓器,DCM3717模塊突破了傳統(tǒng)硬開關降壓穩(wěn)壓器拓撲在寬動態(tài)范圍下對功率密度和吞吐量的限制,克服了硬開關、體二極管導通和柵極驅動損耗對優(yōu)化功耗、效率和功率密度的阻礙,進而實現更高的效率、更大的吞吐量和更寬的動態(tài)范圍。借助這樣的創(chuàng)新型設計,DCM3717模塊讓自身和使用該模塊的方案設計都能夠具有非常高的功率密度。
在產品測試方面,從圖3和圖4上面能夠清晰的看出,不管是單獨應用,還是雙模塊并列使用,DCM3717模塊在實際應用中只需要簡單的外部輔助電路,外圍器件數量明顯減少。在具體的應用中,DCM3717模塊最多支持四個模塊并行使用。
圖3:單模塊應用電路圖
(圖源:Vicor)
圖4:雙模塊并列陣列的應用電路圖
(圖源:Vicor)
DCM3717陣列的并行操作是為了滿足系統(tǒng)對更高功率的要求。通過正確配置的n個DCM3717陣列,能夠在無電氣降額的情況下獲得單個模塊的額定功率或電流乘以n的效果,進而滿足更高的輸出功率。在實際的PCB布局中推薦使用如圖5所示的PCB布局,每個DCM3717模塊應靠近放置,縮短互連控制信號傳輸,從而改善雜散電容和系統(tǒng)噪聲。
圖5:DCM3717模塊推薦PCB布局
(圖源:Vicor)
與此同時,DCM3717模塊在寬輸入范圍(40VDC至60VDC)和寬輸出范圍(10VDC至13.5VDC)的情況下,峰值效率高達97%。通過測試,如圖6所示DCM3717模塊持續(xù)運行功率可達750W,瞬時峰值功率可達900W。
圖6:DCM3717模塊持續(xù)運行功率
(圖源:Vicor)
在測試過程中,DCM3717模塊在多個指定的工作溫度下都能夠有高效率的表現,包括25℃、100℃和-20℃三大特征溫度。
圖7:25℃,VOUT=10.0V下的效率表現
(圖源:Vicor)
圖8:100℃,VOUT=10.0V下的效率表現
(圖源:Vicor)
圖9:-20℃,VOUT=10.0V下的效率表現
(圖源:Vicor)
在產品應用方面,DCM3717模塊是穩(wěn)壓的12V電源,可以迅速為傳統(tǒng)的12V負載部署高性能48V供電,支持純電動及混合動力汽車的LV148規(guī)范和分布式48V服務器背板架構。36.7*17.3*7.42mm的表貼封裝(SM-ChiP)讓采用DCM3717模塊的電源可以顯著優(yōu)化電源尺寸、重量,進而實現更高的功率密度。頂側和底側熱阻非常低,提供了靈活的散熱管理選項。
綜合而言,通過集成化、模塊化的方式,DCM3717模塊幫助用戶降低設計難度,節(jié)省開發(fā)時間,實現高功率、高效率,并通過SM-ChiP方式擁有更高的功率密度。DCM3717模塊滿足LV148規(guī)范和分布式48V服務器背板架構,并提供靈活的散熱管理選項,適用于數據中心、汽車和工業(yè)市場。
對于AC/DC轉換而言,模塊化的優(yōu)勢同樣明顯。以貿澤電子在售的來自制造商Murata Power Solutions的BAC1隔離式1W AC/DC轉換器模塊為例,制造商的器件編號為BAC1S12SC。這款穩(wěn)壓單輸出轉換器模塊采用板上安裝和SIP封裝結合的方式,支持在靜止空氣中運行,適用于最苛刻的環(huán)境。
圖10:BAC1轉換器模塊
(圖源:Murata Power Solutions)
BAC1轉換器模塊具有高效率、高可靠性、低待機功耗、更小的板載空間、醫(yī)療級安全認證等諸多優(yōu)點。具體來看,BAC1轉換器模塊能夠在高達+85°C下提供全功率,提供全穩(wěn)壓1W交流/直流能力,是功耗要求嚴苛型應用的理想解決方案,超低的待機功耗僅有20mW。
作為一款高度集成的AC/DC轉換器模塊,BAC1在輸入和輸出方面具有兩大突出優(yōu)勢。首先是輸入和輸出的寬范圍,BAC1轉換器模塊支持85VAC至264VAC(305VAC電壓待定)和70VDC至400VDC輸入電壓范圍,可輸出5V、12V或24V的單輸出電壓;其次是應對寬輸入范圍,BAC1轉換器模塊在輸出端擁有出色的線性調整率和負載調整率,其中典型的線性調整率為5V輸出時可達0.3%,12V和24V輸出時可達0.1%。典型負載調整率則為0.1%,也就是說BAC1轉換器模塊在輸入電壓最高最低時,依然能夠穩(wěn)定輸出。
同時,通過圖11能夠看到,BAC1轉換器模塊能夠在和分立式方案的對比中,實現高達75%的板載面積節(jié)約,為緊湊型方案提供了豐富的設計裕量。
圖11:BAC1轉換器模塊占板空間
(圖源:Murata Power Solutions)
總結而言,模塊化的AC/DC轉換器擁有的優(yōu)勢和模塊化的DC/DC轉換器基本類似。通過集成的方式,實現了更高的效率和性能,并大幅度減少方案的外圍器件數量,最終為工程師朋友們帶來更低的設計難度,更小型化的設計方案,以及更低的總擁有成本。
電源轉換模塊的應用
模塊化的AC/DC轉換器和DC/DC轉換器克服了分立式設計的種種障礙,并憑借更寬的輸入和輸出范圍適用于更廣泛的應用場景。
上面提到DCM3717非隔離式穩(wěn)壓DC/DC轉換器模塊的一些應用優(yōu)勢,現在我們系統(tǒng)地總結一下。通過模塊化的方式,DCM3717轉換器模塊打破了分立式設計“需求必須明確”的限制,且因為外圍器件少和擁有參考設計,工程師朋友們可以借此快速打造數據中心、高性能計算(HPC)系統(tǒng)、輕度混合動力和自主駕駛汽車以及工業(yè)系統(tǒng)等領域的應用。
相信大家已經發(fā)現,DCM3717轉換器模塊面向的領域除了對效率有嚴格要求外,對散熱性能也有高要求。以數據中心和HPC系統(tǒng)為例,巨量的服務器被放置在機架上,并以一定的間隔充滿整個機房,這其中很多服務器的運行時間是24小時不停歇。在這個過程中,電源器件擁有高效率,以及出色的散熱能力是至關重要的。
通過上面的圖5/6/7已經體現出,DCM3717轉換器模塊在各個特征溫度下都具有高效表現,進而提升服務器處理任務的效率。在散熱方面,DCM3717轉換器模塊頂側和底側熱阻非常低,因而自身熱量的產生非常少,并提供靈活的散熱管理選項支持用于純電動和混合動力汽車的LV148規(guī)范和分布式48V服務器背板架構的開放計算項目,并能夠對傳統(tǒng)12V多相負載進行支持。
從應用角度來看,BAC1隔離式1W AC/DC轉換器模塊憑借出色的性能、體積和功耗,同樣是一個多面手。包括工業(yè)控制、自動化、醫(yī)療、電信和物聯網等各種市場都能夠受益于BAC1模塊的性能優(yōu)勢。
以物聯網中的智慧樓宇來展開,電力系統(tǒng)是智慧樓宇運轉的基石。為解決傳統(tǒng)樓宇在能耗、協(xié)議和維護成本方面的短板,智慧樓宇將各種類型的終端進行整合,并統(tǒng)一調配,市場的大趨勢是智慧樓宇中大量的終端開始采用電源模塊供電。正如在介紹BAC1轉換器模塊時提到的,模塊電源為系統(tǒng)帶來了更穩(wěn)定的輸出、更高效的性能和更低的待機功耗。同時,憑借集成優(yōu)勢和外圍器件少的優(yōu)勢,極大地降低了智慧樓宇在維護方面的成本。
對于BAC1轉換器模塊面向的工業(yè)控制、自動化、醫(yī)療、電信等大系統(tǒng),這樣的優(yōu)勢都是一脈相通的。
因此,無論是對于器件發(fā)展而言,還是對工程師設計難度而言,亦或者是對設備小型化趨勢而言,也包括對市場應用而言,融合高效、集成、易用、穩(wěn)定等于一身的電源轉換模塊都體現了自己的價值,讓電源系統(tǒng)的設計不再局限于從業(yè)者的經驗之談,從“源頭”為高效節(jié)能的經濟社會發(fā)展賦能。
來源:貿澤電子
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