薄型化和高效率的功率转换解决方案

薄型化和高效率的功率转换解决方案

随着各种电子产品朝向小型化发展，传统的功率转换模块也需要缩小体积、提高效率，来满足日益严苛的系统需求。新型的电荷泵架构将会是实现薄型化和高效率功率转换模块的关键。本文将为您介绍电荷泵架构的特性，以及由村田制作所（Murata）推出的新型功率转换解决方案的产品优势。

 

可以实现薄型化和高效率的电荷泵架构、、

电荷泵是一种利用电容器储存能量的DCDC转换器，可以产生双倍电压、半电压和反相电压等。它由开关器件和电容器组成，电荷泵是开环控制的，输出电压具有下降特性，将随着负载电流的增加而下降。此外，电荷泵不需要电感器，一般来说，磁性组件往往是最高的组件，并且在DCDC转换器中占据较大的PCB面积。另一方面，通过电荷泵可以实现小而薄的DCDC转换器。

由于电荷泵是一种向输出电容器（COUT）离散供电的拓扑，因此需要一段时间将功率从COUT输送到输出负载。如此一来，输出纹波电压将会增加。为了解决这个问题，需要安装许多电容器或大电容，这将导致解决方案尺寸增加。另外，在对已放电的电容器进行充电期间，电容器上会产生瞬态电流，从而使组件受到该瞬态电流的应力。此外，电荷重新分配损耗（电荷泵特有的与电容器之间的电荷传输相关的损耗）会导致效率降低。因此，电荷泵尚未应用于极低功耗产品。

一般使用的降压转换器是由输入和输出电容器、高侧MOSFET、低侧MOSFET和电感器组成。它是电力电子电路，可将直流输入转换为输出的可变直流。通过调整MOSFET的导通时间，可以将其转换为输出电压。导通时间由反馈电路决定，以维持输出电压。即使输入电压或输出电流发生变化，闭合反馈环路也能保持输出电压恒定。

在架构上，电荷泵与传统电感降压转换器的行为有所不同。电荷泵是一个N分频电容电压转换器，电压转换比取决于每个产品。它是一种开环转换器，不具有输出调节能力。因此，输出电压将随着负载电流的增加而降低。

电感电流由电压、MOSFET的导通时间和电感决定，为了降低纹波电流，需要增加电感或开关频率，因此需要增加电感的匝数或增加磁芯截面积以获得更高的电感量。在传统电感降压转换器中，DCR（直流电阻）会因匝数增加而增加，将导致传导损耗增加。当使用厚绕组来减少损耗时，就需要绕组空间。因此，将需要一个大的磁芯。由于磁芯体积较大，因此很难减小大电流降压转换器的电感。当开关频率设置为较高频率时，会导致MOSFET的开关损耗增大，从而导致效率下降。由于电感器的限制，要实现更小尺寸、薄型化和高效率将变得更加困难。

另一方面，电荷泵则通过电容器供电。在使用电感器或变压器进行电压转换的电路拓扑中，磁性组件往往成为薄型产品的瓶颈。如上所述，使用薄型磁性组件会导致效率降低。电荷泵可以实现薄型化和高效率，原因是电容器的功率密度比电感器的功率密度更高。因此，利用电荷泵可以实现高功率密度的电源。

电荷泵是一种可以实现小尺寸和高效率的电压转换方案，特别是在需要薄型的应用中。虽然它的缺点是负载调节比降压转换器差，但它适合在中间总线系统中作为第一级转换器，输出电压则由第二级转换器的负载点（PoL）调节。

采用电荷泵架构的小尺寸和高效率电压转换方案

Murata推出了MYC0409-NA这款采用电荷泵架构的产品，该模块是针对电荷泵的缺点（例如在器件上的输出纹波增加、PCB尺寸较大、瞬态应力等），使用自己的技术来进行设计的产品。

MYC0409-NA从输入电压到输出电压是固定的四分频转换比，它可以从48V转换到大约12V。该模块对于48V系统和54V系统稳定产生中间总线电压。由于该产品采用Murata专有的电荷泵技术，因此在2.1mm高度内具有高效率和高功率密度。Murata的技术不需要使用更高或更重的部件，因此，它可以安装在PCB板的背面。

Murata的电荷泵使用小型电感器，电感连接在电荷泵后面，可以通过LC滤波器降低输出纹波电压。由于与降压转换器相比，电感器两端的电压幅度非常小，因此不需要高电感。由于匝数少，电感也低，可以采用DCR小的电感，这导致传导损耗减少。虽然平均输入电流随转换率成比例下降，但瞬时输入电流等于通过降压转换器的输出电流，并由输入电容器平滑。

此外，Murata的UltraCP采用了两相配置，占空比固定为50%，输入电流在每个周期输送功率，因此不会引起输入电容的瞬态电流变化。输入电容器中流动的纹波电流相当于电感电流的1/N（电压转换比）。因此，可以使用较少的电容器来实现低输入纹波电压。

以在小基站系统中应用UltraCP系列为例，MYC0409-NA安装在AC/DC转换器或DC/DC隔离转换器之后，从48V线路产生12V。通过采用UltraCP系列，可以实现高效、小型的系统。

超高效率的非隔离DC-DC转换器模块

Murata的UltraCP MYC0409是一款非隔离DC-DC转换器模块，具有超高效率。MYC0409是一款48伏除以4电荷泵电容分压器全集成模块，能够提供高达72W的功率，峰值效率为96.5%。

MYC0409-NA是一款超薄高效集成电源解决方案，将72W DC-DC转换器与组件相结合，PCB背面占用空间最小，拥有小于2.0mm的超薄外形。该整体电源解决方案可用于无需环路补偿，且在最少情况下仅需要三个外部组件的系统。

尽管采用小而薄的11.5 x 9.5 x 2.0mm LGA封装，但这款完全集成的模块仍可提供高达96.5%的效率，在48VIN/6A时效率高达95.0%。Murata易于使用的模块引脚排列设计，可实现简单的电源布局，并通过最小化布线寄生电阻来实现效率最大化。该模块具有固定的输入电压到输出电压的4分频转换比，输入电压范围为20V至60V，支持48V总线系统，具有高功率密度（5.4kW/inch3）、优异的热性能、低纹波、低电磁干扰，并可在-40至+105℃的温度范围工作。

MYC0409模块的峰值效率比1/16砖型70W的电源要好上2.5%，在48VIN、6A输出、无风散热时，温度上升也更低（相比低50℃），输出纹波也低上75%，辐射电磁干扰亦低上20dB，单一MYC0409模块可节省超过80%的尺寸与75%的高度，在与1/16砖型200W的电源比较时，三个并联的MYC0409模块则可节省超过35%的尺寸与75%的高度。MYC0409可以灵活使用，Murata可以提供符合DOSA标准的封装给到行业的客户。

MYC0409模块可并联连接，最多可并联4个模块，以提供高功率、高效率的解决方案，具有良好的开漏电源输出、过流和过温保护，采用补偿无环路电荷泵，可与外部时钟同步，适用于各种48V至12V降压转换应用，如数据中心／服务器、网络路由器、基站、光学设备、测试设备与LED指示牌。

Murata也推出MYBSN-P2评估模块，将可加快客户的产品开发速度。MYBSN-P2是一款采用MYC0409的1/16砖型高效非隔离DC-DC转换器模块，只需施加输入电压，然后MYBSN-P2便可开始在其输出上产生分压。MYBSN-P2的分频比为四（VOUT=VIN/4），具有宽输入电压20至60V（除以四），效率高达96.3%，48VIN/10A时效率则高达95.0%，可支持高达10A的输出。

紧凑、薄型、高效率的降压DC-DC转换器解决方案

Murata的FlexiBK PE24108功率半导体，则是一款紧凑、薄型、高效率的降压DC-DC转换器解决方案，能够在3.0V至3.6V的输入电压范围内提供每级10A的输出电流，支持标称3.3V总线电源运行输出电压，通过外部反馈电阻选择，可在0.4至1.0V之间调节，拥有92%峰值效率，对于所有线路和负载变化，输出电压调节精度优于±1%。

PE24108采用创新的两级架构设计，由一个两相交错式电荷泵和一个交错式降压稳压器组成，实现了极低的高度和紧凑的占板面积，该电源系统大大减少了小尺寸和高度受限应用中高效解决方案对电感的依赖。

PE24108的每相能够提供10A电流，最多可并联4相以支持40A，并可通过外部AVS DAC进行调整，外部同步引脚允许与外部时钟同步。PE24108超高效率和低纹波性能适用于空间受限和对噪声敏感的应用，典型应用包括薄型负载点（POL）稳压器、光模块中的DSP/ASIC或网络设备中的FPGA核心电源供电等。

结语

传统的功率转换模块，通常是系统中最占空间的部分，如果能够缩小功率转换模块的体积并提高转换效率，将能够大幅缩小系统的体积，提升系统的稳定性并降低功耗。由Murata推出的新型电荷泵架构UltraCP MYC0409 DC-DC转换器模块与创新两级架构设计的FlexiBK PE24108功率半导体，将会是缩小功率转换模块体积与提升效率的理想解决方案。