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重塑負載點電源轉換

發布時間:2022-4-15 10:50    發布者:eechina
關鍵詞: 負載點 , 電源轉換
來源:Digi-Key
作者:Tatsuya Kubo

如果你問任何一個系統架構師:“你最大的問題是什么?”可能得到的答案是,為系統供電的器件占據了 30-50% 的電路板空間,更不用說需要增加的濾波和電磁干擾 (EMI) 抑制組件了。在從消費應用到數據中心和網絡產品大多數電子系統中,電源仍然是縮減產品尺寸和高度的主要限制因素之一。


圖 1.Murata 的兩級降壓架構包括一個充電泵,后接一個降壓開關穩壓器。(圖片來源:Murata)

傳統上,系統架構師依靠降壓負載點 (POL) 轉換器從總線電源軌(如 12V)將電流降壓,為系統負載供電,如內核和應用處理器、系統 ASIC 和存儲器。幾十年來,降壓轉換一直為該行業提供良好的服務,并得到了改進和提高,形成了穩健和具有成本效益的解決方案。但是,為了在功率密度方面取得真正的進步,系統架構師需要考慮的不僅僅是迭代改進。為此,Murata 推出了一種兩級 POL 轉換器,它由一個充電泵和一個降壓開關穩壓器組成,如圖 1 所示。

對于許多人來說,兩級架構提供效率改進的想法似乎有悖常理,因為總效率是各個級效率的乘積。然而,由于創新的開關電容技術,充電泵幾無效率損失,導致第一轉換階段的效率非常高。

考慮到圖 1 所示的 12 Vin 到 1 Vout 的典型例子,充電泵使用電容器將輸入電壓降了 3 倍,從 12V 轉為 4V,F在第二級降壓電感器在最終轉換中要做的工作就很少了,只需從 4 V 轉換到 1 V。電容器的使用是一個關鍵點,因為與電感器相比,電容器的能量密度大約是其 400 倍。依靠電容存儲的解決方案本身將導致更高的功率密度,F在,第二級降壓穩壓器從 4 V 的低輸入電壓運行,而不是完全的 12 Vin。這允許降壓級使用低電壓、高效率的場效應晶體管 (FET),并組合一個小的輸出電感器即可,從而打造出一個高效率的降壓穩壓器,能夠在非常高的頻率下運行,具有快速的瞬態響應。

圖 2 將傳統的單級降壓與兩級降壓結構進行了仔細比較。


圖 2.傳統的單級降壓轉換器與 Murata 兩級降壓轉換器的比較。(圖片來源:Murata)

考慮到圖 2 中更傳統的單級降壓方法,需要將 12 Vin 直接轉換到 1 Vout。Vx 節點(場效應管的中點)從地電位擺動到 Vin,加上儲存在漏電感和寄生電感中的能量尖峰。這種方法意味著需要電壓更高的 FET,并且由于快速的電壓變化和瞬時振蕩,EMI 可能成為一個問題。電感器做了所有的工作,并且是一個相對較高的值,這對效率和瞬態響應有負面影響。此外,在 12:1 V 方案下,高壓側 FET 只有 1/12th 的時間在導通。這導致輸入端出現非常高的脈沖電流,需要額外的去耦電路以減少對傳導 EMI 的影響。這種較低占空比操作也限制了以較高開關頻率運行的能力。

我們將這種方法與圖 2 中的 Murata 兩級實施方案進行對比。充電泵將電壓以整數級遞減(在這個例子中,從 12V 到 8V 再到 4V),這樣每一級只看到 4 V,因此可以利用低電壓、高效率的 FET 技術。降壓穩壓器將執行最后一步 4:1 V 轉換。大部分工作已經由第一級電容充電泵完成。這種結構允許減小第二級電感器,這反過來又實現了緊湊、扁平的設計,可以在高頻率下運行,具有出色的瞬態響應。

第一級充電泵實現了 50% 占空比的雙相失相運行。第二級降壓以接近 25% 的占空比運行,從而減少了輸入電流和脈動電流。這兩個因素結合在一起,使轉換器的輸入紋波和 EMI 曲線降到最低?傊,Murata 的兩級架構在效率、尺寸和外形以及 EMI 方面都有改進。
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