尖端技术导入低功率DC/DC转换器

低功率板载 DC/DC 转换器的制造技术，发展得比其他电子产品来得缓慢且独立。几十年来，典型的转换器一直是通孔封装的模块或开放式表面贴装的「子板」，虽然新产品持续推出，但引脚布局和外形尺寸从 1980 年代开始就没有改变。但在其他地方例如接口、A/D 和 D/A 转换器等其他功能块不断从分立式解决方案发展成更小的「芯片」，高度只有几分之一毫米、占地面积仅比内部裸片大一点，现在裸片在几何空间上的走线能达到纳米级别。

为什么DC/DC没有跟上小型化趋势？

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达到3nm。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。这是几代电源工程师的贡献，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）。

图 1：这几十年来低功率 DC/DC 转换器的功率密度仅提高了几倍。左边为1W，右边3W，皆为 SIP7封装。

优化磁芯的选择

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。

图 2：低功率 DC/DC 转换器应用和端接变压器的传统做法。绝缘线径为0.18mm，磁芯外径6mm，内径3mm

制造商选择简单设计以降低零件成本

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。

图 3：「Royer电路」让隔离式转换器拥有最少的组件数

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。

努力达到最好

电源设计人员有一个梦想来打破这个模式，就是将控制 IC 与各种功能结合在一起，包括高频和高效运作、可选的有源调节和全面保护，然后在变压器多层基板上使用贴片式平面磁芯和印刷绕组等技术。由于多了必要的支持组件，因此IC 解决方案和嵌入式变压器的零件成本明显比简单的 Royer 电路来得高，但却有了更灵活的自动化装配和规模经济，满足市场对更好性能和一致性的要求，功率密度也更高且成本保持不变。

RECOM就是利用这个方法，他们将这个尖端技术引进低功率 DC/DC 转换器成为「K」系列。我们将巨额资金投入在自动化生产以大幅降低人力成本，并使用大量基板和组件以将零组件成本降至最低。同时，创新的设计技术允许制造过程中轻松配置产品以满足不同变体的需求。

以市场上的新品为例

一个采用新技术产品的例子是RECOM RKK 系列，集成了控制器和平面变压器以提高性能并实现全自动化组装。该公司为了兼容性决定保留SIP7 封装，并将该部件的额定功率定在 1W，利用提高效率扩展工作温度范围，目前不降额时最高可达 105°C 。1W 的额定功率适合很多应用，通常是为隔离式通信接口或高侧栅极驱动器供电。更宽的温度范围开辟了更广阔的市场，例如高规格工业和汽车业。与早期产品相比，RKK 系列的差异和增强性能总结（图 4）。随着销售价格降低，销量显着提高。虽然新产品未稳压，但对输入电压变化有一定程度的补偿，例如 +/-10% 的输入电压变化的输出变化小于 +/-5%。另一个特点是部件不需要封装，这样既可以减轻重量又可以降低成本。该系列有一个版本提供后置稳压输出能满足高精度需求。

图4：基本 Royer 和 RECOM RKK 系列 DC/DC 转换器的差异和性能一览表

新的进展

RECOM 的新技术理念也应用在非隔离 DC/DC转换器，升级了广受欢迎的 R-78 系列直接替代线性稳压器。升级更名为 R-78K的稳压器效率提高至 96%，输入范围扩展至 36V，不降额工作温度达 90°C。

更多的 RECOM 产品将升级为「K版」，以顺应使用先进的电路和制造技术取代简单的传统设计的趋势，还不会增加成本。请随时关注我们的新产品「razor」动态信息，提早享受「尖端」科技带来的优势。