构建体积更小、效率更高的 DC-DC 转换器设计

UltraBK™（Ultra Block）：更小、更高效 DC-DC 转换器设计的构建块

电子设计的每一部分都像是采用各种积木，并使它们协同工作以实现设计目标。电子设计工程师一直在寻求零件的进一步小型化、更多的功能和更高的可靠性。

直流-直流转换器

DC-DC 转换器是电子电源管理电路中使用的基本构件。它们将一个直流 (DC) 电压转换为另一个更高（升压、升压）或更低（降压、降压）电压的直流电。Murata成功推出了一系列降压稳压器，其占地面积减少了近两倍，高度减少了三分之一，并显着改善了电源效率、瞬态性能和电磁干扰 (EMI)。这种改进是通过使用称为 BK™（块）的独特架构实现的。BK™ 是 Murata 的创新构建块，用于更小、更高效的 DC-DC 转换器设计。让我们仔细看看这个创造性的突破。

降压稳压器：单级

金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 通常用作电子开关。降压稳压器通常使用内部功率 FET。为了减小尺寸和简化降压稳压器，特别是对于低输出电流 (< 20A)，许多部件都在一个封装内提供控制器和集成 FET。具有集成 FET 的控制器可能会降低效率，因为在为广泛的应用指定时，这些 FET 的额定电压可能远高于给定应用所需的额定电压，从而导致开关损耗增加。此外，对于特定占空比，FET 的尺寸几乎肯定是次优的。后一点可能是一个重大的妥协，特别是对于低占空比应用。

采用封装技术来减小尺寸并压缩动力系统中每一个可能的毫欧级寄生损耗，以提高效率。完整动力系统（控制加 FET、输出电感器和输入/输出滤波器）的集成主要受到仍然需要的物理尺寸较大的电感器的阻碍。

2 级降压架构替代方案

Murata 的 BK™ 电源架构解决了其中的许多问题。它允许开关频率保持在 1MHz 至 2MHz 的范围内，同时减少所需的电感量，并提高整体电源转换效率。

Murata 的突破采用了两级架构，包括一个电荷泵、一个开关电容转换器和一个开关模式电源。Murata 专有的电荷泵设计解决了传统上与电荷泵相关的基本问题，即低效率和高 EMI。

Murata 系统中使用的电流源实际上是降压级中的电感器。该电感器非常接近电流源，用于吸收开关中通常产生的所有电荷再分配损耗。因为这个电流源电感器可以在输出级，所以能量不会丢失，而是可以作为负载的有用能量回收。这种回收的能量允许电荷泵开关的串联电阻（以及相关的寄生阻抗）尽可能小，因为浪涌电流不再是一个问题，并最大限度地减少了这部分电路中的电荷再分配损耗。在效率方面，Murata 的电荷泵的效率提高了 97% 到 99%（图 1）。

图 1。结合电荷泵和开关稳压器的两级降压转换器（来源：Murata）

电荷泵本身也是两相交错的，并为输入提供几乎 100% 的占空比。与占空比可能仅为 10% 的传统降压稳压器相比，这对输入电流纹波和所需的输入滤波量产生了巨大的影响。在测试中，Murata 测得的输入电流纹波至少比同等单级降压转换器低五倍（图 2）。

图 2：单级降压与 Murata 两级降压输入电流纹波的比较。（出处：村田）

降低电磁干扰

Murata 的两级架构将整个电压转换分解为跨多个输入和输出相位执行的许多小电压阶跃。与单级降压设计相比，最终结果是 Murata 的传导和辐射 EMI 架构的 EMI 特征要低得多。单级降压中 EMI 的主要来源是电感器 (V(t) = L * (di/dt))。由于 Murata 在系统中使用的电感少得多，因此自然消除了大部分 EMI 源。

产品示例

Murata MY 系列 UltraBK™ 4A/6A DC-DC 转换器模块是微型 UltraBK，称为 Ultra Block。它们是一种超薄、高效的集成电源解决方案，将 4A 或 6A DC-DC 转换器与组件结合在一起。这些集成模块在尺寸为 10.5mm x 9.0mm x 2.1mm 的小型超薄 LGA 封装中提供高达 90% 或 90.5% 的效率。易于使用的模块端子设计通过最小化寄生布线电阻实现简单的电源布局和最大效率。其他功能包括电源良好输出、过流和过热保护、远程开/关控制和输出电压检测。 

应用

Murata MY 系列 UltraBK 4A/6A DC-DC 转换器模块非常适合用于 PCIe/服务器应用、现场可编程门阵列 (FPGA) 和数字信号处理 (DSP)、数据通信/电信系统、分布式总线架构 ( DBA）、可编程逻辑和混合电压系统。部分版本还可用于 I 2 C 6.0 兼容串行接口，工作频率高达 1MHz。

结论

您已经看到 Murata 如何展示一种独特且有点不直观的两级架构，该架构在整个动力系统中以复杂的布置使用许多低压 FET。这种架构在更小的占地面积和配置文件中实现了一流的效率。

这种两级降压是在非常成熟的 CMOS 半导体工艺中使用标准现成 FET 的架构创新。由于电感器不再是材料清单中的主要元件，因此功率转换通常占据系统电路面积的 30% 至 40% 缩小到一半，而不会影响效率。此外，由于电感器通常是系统中最高的组件之一，因此这种架构允许更薄的解决方案，提高封装密度，并使移动产品更加纤薄。

审核编辑 hhy