DC转换器性能的关键差异.docx

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1、探究负载点DC/DC转换器性能的关键差异网络转载导语：功率转换器的能效通常用小写的希腊字母eta()表示，并表示为传输至输出的功率与输入所消耗的功率之比=Pout/Pin。不断创新的营销艺术是一种强大工具，可帮助公司凸显自己相对行业竞争对手的差异与上风。问题在于，这些所谓的上风会在您的特定应用中发挥作用吗？相关产品更小、更快、更强真的那么重要吗？事实证实，就像生活中的大多数事情一样，得“看情况。本文将尝试超越典型营销范式，专心探究负载点(POL)DC/DC转换器性能的一些关键差异，以及它们与您特定系统设计的关系。详细而言，我们将着眼于能效、输出电容、补偿方案和冷却要求。峰值能效与实际负载条件下

2、的能效功率转换器的能效通常用小写的希腊字母eta()表示，并表示为传输至输出的功率与输入所消耗的功率之比=Pout/Pin。任何转换器的理想比率或者能效均为1。这表示，进入转换器的功率将100%以零损耗的方式输送至负载。但是，在实际应用中，将能量从一种形式转换成另一种形式始终存在一定的损失/低效率，因此将从1拉低至1以下。营销团队知道100%能效是理想情况，便经常吹嘘他们可以到达的最高转换效率，以试图脱颖而出，成为您应用的“最正确选择。这经常也被称作“峰值能效。难点在于，能效不只是一个数字，而是一个通常表示为输出电流/传输到负载的功率的多元函数。为了讲明输出负载对能效的影响，以下是一个负载点能

3、效曲线的假设例如：图1：典型能效曲线图示。在此假设例如中，能效曲线的峰值在输出负载为满负载的50%时出现。较轻负载时的能效要低得多；在负载超过峰值时，效率逐渐降低。在设计功率输送系统时，必须理解这些曲线，由于在任何高于或者低于峰值能效点的负载下操纵都会导致系统中出现功率浪费和多余的热量。以下列图示显示，尽管负载点B具有较高的峰值能效，但因负载所需的功耗，就能效而言，负载点A才是此应用的首选。图2：能效曲线与应用负载条件比照。实现目的纹波/瞬态性能所需的输出电容负载点转换器的另一个相关指标是，实现目的纹波和瞬态性能需要增加的系统级电容。有关外部电容器数目和类型的理论详情不在本文的讨论范围，但应留

4、意，并非所有负载点模块在性能方面都一样即便规格书上显示相似的数字。外表上，不同的负载点似乎具有类似的纹波和瞬态性能，但假如您更深化地探究测试条件，通常会发现很大的差异，这些差异可能会影响功率传输解决方案的总体本钱和尺寸。以下是两个负载点模块竞争产品的比照。从规格书宣传的规格要点数字来看，这两个潜伏的解决方案在纹波和噪声性能方面看起来几乎一样。负载点A负载点B额定电流60A40AVOUT10mV10mVIOUT30A20A陶瓷电容器3x10F=30F4x47F=188F聚合物电容器9x330F=2970F27x330F=8910F总电容3000F9000F但是假如仔细分析一下，我们会发现，其中一

5、个模块负载点B需要的外部电容是另一个的3倍，这样才能实现与另一个模块一样的电压偏向性能。这会增加大量本钱并浪费板空间。幸运的是，如今出现了更先进的全数字负载点模块，同尺寸总体解决方案的纹波/瞬态性能大大超越了传统的模拟模块。CUINDM3Z-90系列是此类解决方案的一个典范，它能为负载提供高达90安培的电流，具有出色的纹波/瞬态性能，且通常需要的输出电容大为减少。图3：CUI的NDM3Z-90数字负载点系列。补偿方案负载点模块提供稳定的调节输出，以尝试为其负载生成干净的电压轨。这意味着，负载点本身包含一个负反应回路，因此每当与理想输出之间发生偏向时，负载点的反应网络都会补偿并尝试使输出恢复到理

6、想的调节状态。市场上有很多存在细微差异的不同补偿方案，但在下文，我们将讨论普通模拟和数字补偿方案的总体上风和缺乏。模拟补偿：在模拟补偿网络中，将会检测、过滤模块的输出并与基准电压进展比拟，以生成误差信号。此误差信号用于补偿输出并纠正可能出现的任何偏向。图4：典型模拟开关稳压器原理图。模拟补偿方案的上风是，出现的时间较早，并且可以使用现成的标准组件来实现。此类模拟方案的缺点是，很难在所有工作条件下“将回路微调到稳定状态，同时维持实现快速瞬态响应的宽带宽。这通常需要在实验室进展数小时的焊接、测试、重新焊接、重新测试操纵。模拟补偿方案还很轻易拾取外部噪声，而且稍不留意就有可能被耦合到输出中。尽管模拟

7、补偿方案及其很多改型方案在很长一段时间里一直作为标准方案使用，但在过去的十年左右，市场中不断出现具有一些显著上风的新型数字补偿方案。数字补偿：与模拟方案类似，数字补偿实现也需要检测、过滤输出，并将其与基准比拟，产生误差并最终补偿输出，以纠正可能出现的任何偏向。图5：典型数字式开关稳压器原理图。此类方案的主要区别在于，所有操纵都是通过数字化的1和0来完成。输出的“检测使用模数转换器完成，之后的所有比拟、误差生成和补偿均通过数字方式在集成电路(IC)中完成。数字工作方式还能大幅提升噪声抑制，这有助于防止因忽略导致外部噪声源被耦合到输出中。利用数字补偿方案，您不必再在实验室花数小时来焊接用于调整反应

8、回路的不同组件。相反，您只需修改IC内的一些数字参数，并更改负载点的行为，便可知足您的应用需求。目前市场上更先进的数字负载点将此便利性又推进了一大步，推出“无补偿式设计。在这些设计中，负载点在系统内为您执行所有必要的测量和调节，以持续提供反响快速且稳定可靠的输出电压轨。冷却要求负载点模块的最大制约因素之一是热耗散。低能效模块设计会导致多余的内部发热，进而造成关键组件例如FET、电感器、电容器等到达其最高额定工作温度。操纵时假如到达或者高于这些元件的热限制，可能会降低可靠性并导致硬件故障。为了应对内部发热的破坏性影响，负载点厂商通常推荐使用少量气流从模块吸走热量。这可以防止热量在组件内聚集并导致

9、温度超过其额定限制。利用气流去除模块中的热量通常可增加传输到负载的功率，还可扩大环境工作温度范围。以下列图示显示了负载点模块在不同气流环境从自然对流即静止空气到3m/s中的才能：图6：不同气流条件下典型降额曲线图示。我们看到，在自然对流即静止空气条件下表示为图7中最下面的实线，此模块可向高达60C的负载输送43A电流。仅仅增加2m/s的气流便可将载流量和环境工作温度范围分别增加至50A满额和64C表示为图7中的点划线。不过，强迫气流冷却也有其缺点：耗电，这可能抵消能效提升并产生不可承受的噪声级。中选择负载点时，设计师必须仔细权衡电源模块的热要求与其系统的冷却才能。结论每种应用各不一样，性能指标侧重也不尽一样。对于某些设计而言，快速瞬态响应可能是最重要的考虑因素。其它设计那么可能需要最小的尺寸、最高的能效或者最宽的工作温度范围。不管营销团队讲得多么动听，可以同时知足每种应用的上述所有要求的负载点并不存在。最重要的是，必须首先理解您的应用在其特定操纵条件下的需求。然后才能比拟并为您的设计选择最正确的负载点。