【導(dǎo)讀】隨著人工智能（AI）與機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，在工業(yè)環(huán)境的自動(dòng)化應(yīng)用越來越廣泛，新型態(tài)的功率半導(dǎo)體器件具備體積小、效率高等優(yōu)勢(shì)，將能夠使這些自動(dòng)化設(shè)備穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)。本文將為您介紹穩(wěn)壓器的發(fā)展趨勢(shì)，以及Murata所推出的相關(guān)解決方案。
MOSFET提升開關(guān)頻率與轉(zhuǎn)換效率
自1970年代開關(guān)模式電源進(jìn)入市場(chǎng)以來，傳統(tǒng)的非隔離降壓穩(wěn)壓器架構(gòu)基本保持不變，是由兩個(gè)開關(guān)或一個(gè)開關(guān)和一個(gè)二極管組成。這兩個(gè)開關(guān)彼此異相操作，一個(gè)是“高側(cè)”串聯(lián)開關(guān)，可將電流傳導(dǎo)至受存儲(chǔ)能量的串聯(lián)電感器限制的負(fù)載，另一個(gè)是“低側(cè)”開關(guān)，允許電流繼續(xù)流入負(fù)載，同時(shí)從電感器釋放能量。
到了1980年代中期，業(yè)界引入了硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET），允許開關(guān)頻率從20-30 kHz增加到200-300 kHz。這種頻率增加導(dǎo)致電感器尺寸成比例地減小。FET的使用還將轉(zhuǎn)換效率提高了大約10%（從通常的60-70%提高到70-80%），并有助于加快開關(guān)轉(zhuǎn)換，從而提高EMI性能。
根據(jù)摩爾定律，功率轉(zhuǎn)換仍然是一種模擬功能，并且不能在硅片中進(jìn)行縮放。因此，硅尺寸基本保持不變。隨著材料的改進(jìn)，濾波電容技術(shù)發(fā)生了很大變化，電容器的結(jié)構(gòu)也隨之減小。此外，降壓穩(wěn)壓器現(xiàn)在使用多層陶瓷電容器（MLCC）作為輸入和輸出濾波器，并根據(jù)需要使用導(dǎo)電聚合物鉭固體電容器（POSCAP）作為大容量電容。電感器的變化非常小，只要幾安培以上，仍然是繞線組件，通常占電源轉(zhuǎn)換總電路板空間的50%。因此，電感器已成為決定整體解決方案尺寸和高度的問題組件。任何通過縮小電感來減小解決方案尺寸的嘗試，都意味著開關(guān)頻率的增加、效率的相應(yīng)降低和EMI的增加。
新電源架構(gòu)追求更小尺寸與更高的效率
為了追求更小尺寸和更高效的電源轉(zhuǎn)換，Murata為市場(chǎng)帶來一種新的電源架構(gòu)，允許開關(guān)頻率保持在1-2 MHz范圍內(nèi)，同時(shí)減少所需的電感量，并提高整體功率轉(zhuǎn)換效率。Murata采用特有的兩級(jí)架構(gòu)，包括帶有開關(guān)模式電源的電荷泵（也稱為開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器）。電荷泵是高度特有的技術(shù)，解決了一些傳統(tǒng)上電荷泵在效率低下和高EMI方面相關(guān)的基本問題。
Murata的兩級(jí)架構(gòu)不是單級(jí)降壓，所有工作都由兩個(gè)開關(guān)和一個(gè)電感器完成，輸入到輸出電壓在電感器上轉(zhuǎn)換，是在輸入和輸出的多個(gè)階段中，將整個(gè)電壓轉(zhuǎn)換分解為許多小的電壓階。此外，與傳統(tǒng)的單級(jí)降壓電路所看到的相當(dāng)大的電流脈沖相比，采用兩級(jí)架構(gòu)的電流幾乎是連續(xù)地流入系統(tǒng)。
這種兩級(jí)架構(gòu)的最終結(jié)果，便是Murata的傳導(dǎo)和輻射EMI架構(gòu)所產(chǎn)生的EMI特征要低得多，這是因?yàn)閱渭?jí)降壓電路中EMI的主要來源是電感器，因?yàn)镸urata在系統(tǒng)中使用的電感要少得多，所以自然消除了大部分EMI源。
這種兩級(jí)降壓架構(gòu)，是在非常成熟的CMOS半導(dǎo)體工藝中，使用標(biāo)準(zhǔn)“現(xiàn)成”FET的架構(gòu)創(chuàng)新。由于電感器不再是材料清單中的主要組件，因此功率轉(zhuǎn)換從通常占用系統(tǒng)電路面積的30-40%縮小到一半，且不會(huì)影響到效率。最后，由于電感器通常是系統(tǒng)中最高的組件之一，因此這種架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)更薄的解決方案，提高封裝密度，并使移動(dòng)產(chǎn)品更為纖薄。
提供無損降壓轉(zhuǎn)換的功率半導(dǎo)體
Murata推出的功率半導(dǎo)體FlexiCP?的PE252xx系列，是基于Murata特有的絕熱或無損電荷泵技術(shù)的超高效電容分壓器產(chǎn)品。該技術(shù)非常適合為中間總線系統(tǒng)提供“無損”降壓轉(zhuǎn)換，以支持下游負(fù)載點(diǎn)并實(shí)現(xiàn)更高水平的效率，該IC基于集成FET的集成電荷泵控制架構(gòu)，能夠并聯(lián)連接以適應(yīng)高功率系統(tǒng)要求。
Murata電荷泵可以把它想象成一個(gè)幾乎無損的直流變壓器，且體積非常小，支持開環(huán)Vout跟隨Vin，Vout是Vin的固定比率（即÷2、÷3、÷4或×2、×3、×4等），在一個(gè)部份內(nèi)可能有多個(gè)比率（例如÷2、÷3），且無論比例如何，效率都保持大致相同（≈97%），具有低紋波、EMI、噪聲的相位交錯(cuò)和軟開關(guān)，本質(zhì)上可進(jìn)行并行處理。
FlexiCP?功率半導(dǎo)體系列中的PE25200是用戶可選擇的÷2或÷3分壓電荷泵電容分壓器IC，具有集成FET，能夠以97%的峰值效率提供高達(dá)45瓦的功率，并可在2和3之間選擇分壓比，可以在移動(dòng)計(jì)算應(yīng)用中將2芯或3芯鋰平臺(tái)轉(zhuǎn)換為1芯平臺(tái)。
PE25200器件還可以采用前端DC-DC轉(zhuǎn)換器作為12Vin負(fù)載點(diǎn)設(shè)計(jì)的一部分，可應(yīng)用于為數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡(luò)和光學(xué)設(shè)備供電的FPGA、DDR內(nèi)存和ASIC。PE25200器件采用WLCSP封裝，具有啟用、電源良好、頻率同步、循環(huán)跳躍、過流保護(hù)、過溫保護(hù)、UVLO、并聯(lián)運(yùn)行等功能。
PE25200的典型應(yīng)用包括兩芯和三芯鋰電平臺(tái)、超級(jí)本和筆記本電腦、全尺寸平板電腦，以及采用超薄外形設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)和電信中的12VIN負(fù)載點(diǎn)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。Murata也推出PE25200評(píng)估套件（EVK），以允許客戶測(cè)試降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器。
Murata另一款功率半導(dǎo)體FlexiCP? PE25204則是一款超高效前端DC-DC轉(zhuǎn)換器解決方案，可將輸入電壓分壓為3或4份，是具有集成FET的48V 4分壓電荷泵電容分壓器IC，能夠以97%的峰值效率提供高達(dá)72瓦的功率。
PE25204器件可并聯(lián)使用以增加輸出功率，在4分頻操作中支持18V至60V的輸入電壓范圍，在3分頻操作中支持18V至45V之間的輸入電壓范圍。PE25204提供適用于數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、基站和光設(shè)備等產(chǎn)品，是各種48V至12V降壓轉(zhuǎn)換應(yīng)用的高功率、高效率解決方案。
PE25204采用WLCSP封裝，可在非常薄的1 mm高度的解決方案中使用電容器，支持啟用、電源良好、頻率同步、過流保護(hù)、過溫保護(hù)、UVLO、并聯(lián)運(yùn)行等功能，可應(yīng)用于超級(jí)本／筆記本電腦、數(shù)據(jù)中心／服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、基站、光學(xué)設(shè)備、工業(yè)應(yīng)用等產(chǎn)品。Murata也提供PE25204評(píng)估套件（EK25204-01），可讓客戶輕松測(cè)試降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器。
顯著減小尺寸／高度與提升轉(zhuǎn)換效率的解決方案
Murata的功率半導(dǎo)體FlexiBK? PE241xx系列，是基于結(jié)合Murata特有的絕熱或無損電荷泵技術(shù)的超高效、2級(jí)負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器。該技術(shù)非常適合從2或3節(jié)電池或12Vin負(fù)載點(diǎn)應(yīng)用，提供降壓轉(zhuǎn)換，并顯著減小解決方案的尺寸／高度，同時(shí)提高轉(zhuǎn)換效率。該IC基于集成式電荷泵控制架構(gòu)和集成FET，以配置由電荷泵和降壓穩(wěn)壓器組成的2級(jí)架構(gòu)。FlexiBK? PE241xx系列都有相對(duì)應(yīng)的評(píng)估套件可供選用。
FlexiBK? PE241xx系列包括PE24101/ PE24102，支持一個(gè)輸出通道，最大輸出電流為6A，支持5.5V到14.4V的輸入電壓，以及0.6V到2.0V的輸出電壓，開關(guān)頻率為500到2000 kHz，具有90%的效率，支持I2C接口，采用WLCSP封裝。PE24101/PE24102搭配有MYTNA1R86RELA2RA與MYTNC1R86RELA2RA兩款超薄高效6A DC-DC UltaBK轉(zhuǎn)換器模塊，采用貼片封裝，支持PGOOD信號(hào)、過流保護(hù)、過溫保護(hù)、遠(yuǎn)程開／關(guān)、輸出感應(yīng)等功能。
另一款Murata FlexiBK? PE24108則是一款超小型、薄型和超高效降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器解決方案，是一款超高效、3.3Vin、9A、2級(jí)降壓穩(wěn)壓器IC，通過使用創(chuàng)新的兩級(jí)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了極低的高度和緊湊的占位面積，該設(shè)計(jì)結(jié)合了電容器分壓器電荷泵和雙相降壓穩(wěn)壓器，能夠在3V至3.6V的寬輸入電壓范圍內(nèi)，提供每級(jí)9A的輸出電流，最多可并聯(lián)4相以支持36A，支持使用3.3V總線電源供電。
PE24108的輸出電壓由外部反饋電阻選擇，并可通過外部AVS DAC進(jìn)行調(diào)整，在0.37和0.7V之間調(diào)節(jié)，具有超高效率和低紋波性能，適用于空間關(guān)鍵和噪聲敏感的應(yīng)用，例如光模塊中的DSP/ASIC或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的FPGA。PE24108可以并聯(lián)連接以用于更高電流的應(yīng)用，典型應(yīng)用包括光模塊、核心電源、ASIC、FPGA。
結(jié)語(yǔ)
Murata獨(dú)特的降壓轉(zhuǎn)換兩級(jí)架構(gòu)是一種高度靈活的多級(jí)架構(gòu)，包括特有的“管道”級(jí)開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)（電荷泵）與降壓級(jí)相結(jié)合，無論轉(zhuǎn)換率如何，幾乎都是無損階段，效率很大程度上與輸入和輸出電壓之間的差異無關(guān)，能夠大大減小了電感器尺寸，在整個(gè)電源系統(tǒng)中使用建立在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝上的低壓FET，采用交錯(cuò)式電荷泵級(jí)操作，可降低紋波／EMI輻射和提供更好的瞬態(tài)性能，將是電源應(yīng)用的理想選擇之一。
來源：艾睿電子
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