现代开关型稳压器技术——该改变了!

开关型稳压器已经存在数十年,产品也在不断地推陈出新。部分新产品提供了已有产品不具备的功能,但绝大多数只是作为已有设计的替代品,整合一些新的功能。

工程师根据应用选择开关转换器时,通常使用输入电压、输出电压、输出电流作为主要参数。工程师选择了针对特定产品的器件后,如果器件满足新设计参数要求,就倾向于在下一设计中使用相同器件。构建第一款设计时获得的经验和信任使其方便地反复使用相同设计。这正是为什么10年,甚至15年的老式开关稳压器仍然非常流行的原因。

虽然集成工艺在发展,但却难以看到开关稳压器领域的技术进步。下面,我们就从参数之外的角度讨论现代开关稳压器为什么远远优于老式产品,如果您还在使用老式产品,您会意识到是时候改变了


您能猜到哪个2A电源使用了现代开关技术吗?

改进原因1:工艺技术


用来制造开关稳压器的工艺对产品能够达到的指标影响巨大。现代化工艺支持更快的开关频率。一般而言,较高的开关频率对设计带来的好处是较小的外形尺寸。较高的开关频率使电感尺寸小许多,并可使用更小的输出滤波电容。结合现代开关稳压器IC本身大幅缩小的外形尺寸,使得电源整体尺寸大大减小,可能在缩小50%同时不会影响输出质量。

开关稳压器的开关单元(内部开关产品)本质上是场效应晶体管(FET)。这些开关单元在功率方面的优势使得器件具有更高的开关容限(从输出电流考虑),发热也小很多。对于功率开关,开关FET的关键参数是Rds(on)——漏源电阻。新型集成工艺能够实现毫欧级Rds(on)——比老式产品降低10至100倍。低Rds(on)也使得同步整流成为可能,用高效率FET代替传统的高损耗整流二极管。对于电源设计的影响是稳压器能够提供更高的输出驱动,同时工作在低温状态,提高整体方案的可靠性。

工艺技术的提高也改善了开关稳压器的静态功耗。即使与短短几年前的设计相比,现代开关技术的静态功耗也降低了许多。可大幅节省功率、降低发热——这对手持产品意义重大,当然,也有利于其它任何设计。

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改进原因2:集成


基于上述讨论,集成工艺的进步从本质上改善了功耗、输出功率等技术指标。由于现代集成工艺允许采用更细的线宽,能够提供更大的容量,从而将更多的外部电路集成到硅片内部。许多新产品内置补偿电路,省去了许多外部无源元件。使最终设计具有更小的外形尺寸,而且设计简单。

过去,内置开关的稳压器只能提供较低的输出电流——小于1A,并且需要外部开关二极管。工艺技术的大幅进步,允许在单一芯片集成先进的FET开关,并且提供更高的输出功率(1至10A),产品尺寸更小。

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改进原因3:架构


开关稳压器架构必须考虑驱动开关的逻辑算法以及开关架构本身。由于现代工艺在IC内部提供了更大空间,就有可能采用更多的控制逻辑,同时提供不同的工作模式。利用不同的工作模式,就有可能在不同的工作环境下提高转换效率。现代开关稳压器具有多种工作模式,确保在宽范围工作条件下保持高效。

开关稳压器内部的开关架构也直接影响工作效率。在中/高等负载条件下,具有同步开关控制的开关稳压器效率较高。过去,整合了同步开关控制的产品非常昂贵,主要采用开关控制器(即控制外部开关的产品)。目前,多数开关稳压器则集成了同步开关和功率MOSFET开关,由此提高效率,并获取低成本设计。

同步开关操作及其相关的开关损耗,使得基本的同步开关稳压器在轻载条件下效率较低。先进的多模控制架构避免了这一问题,在整个负载范围内保持最佳效率。现代开关稳压器提供同步开关以及多模控制,能够在较宽的输出负载范围内保持最高工作效率。

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总结


我们在上文讨论了现代化开关稳压器优于传统设计的关键因素。新产品带来的利益是惊人的:较小的外形尺寸、设计更简单、工作温度低、效率高,以及较高的集成度,提高最终产品的健壮性和可靠性。

现在,您了解到技术的进步,您需要采取的行动是:把历经磨难、老态龙钟的开关稳压器更换成新型的现代化产品,由此为新设计及已有设计增添优势。

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