UltraBK?（Ultra Block）：更小、更高效 DC-DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的構(gòu)建塊

電子設(shè)計(jì)的每一部分都像是采用各種積木，并使它們協(xié)同工作以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。電子設(shè)計(jì)工程師一直在尋求零件的進(jìn)一步小型化、更多的功能和更高的可靠性。

直流-直流轉(zhuǎn)換器

DC-DC 轉(zhuǎn)換器是電子電源管理電路中使用的基本構(gòu)件。它們將一個(gè)直流 (DC) 電壓轉(zhuǎn)換為另一個(gè)更高（升壓、升壓）或更低（降壓、降壓）電壓的直流電。Murata成功推出了一系列降壓穩(wěn)壓器，其占地面積減少了近兩倍，高度減少了三分之一，并顯著改善了電源效率、瞬態(tài)性能和電磁干擾 (EMI)。這種改進(jìn)是通過(guò)使用稱為 BK?（塊）的獨(dú)特架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。BK? 是 Murata 的創(chuàng)新構(gòu)建塊，用于更小、更高效的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。讓我們仔細(xì)看看這個(gè)創(chuàng)造性的突破。

降壓穩(wěn)壓器：?jiǎn)渭?jí)

金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 通常用作電子開關(guān)。降壓穩(wěn)壓器通常使用內(nèi)部功率 FET。為了減小尺寸和簡(jiǎn)化降壓穩(wěn)壓器，特別是對(duì)于低輸出電流 (< 20A)，許多部件都在一個(gè)封裝內(nèi)提供控制器和集成 FET。具有集成 FET 的控制器可能會(huì)降低效率，因?yàn)樵跒閺V泛的應(yīng)用指定時(shí)，這些 FET 的額定電壓可能遠(yuǎn)高于給定應(yīng)用所需的額定電壓，從而導(dǎo)致開關(guān)損耗增加。此外，對(duì)于特定占空比，F(xiàn)ET 的尺寸幾乎肯定是次優(yōu)的。后一點(diǎn)可能是一個(gè)重大的妥協(xié)，特別是對(duì)于低占空比應(yīng)用。

采用封裝技術(shù)來(lái)減小尺寸并壓縮動(dòng)力系統(tǒng)中每一個(gè)可能的毫歐級(jí)寄生損耗，以提高效率。完整動(dòng)力系統(tǒng)（控制加 FET、輸出電感器和輸入/輸出濾波器）的集成主要受到仍然需要的物理尺寸較大的電感器的阻礙。

2 級(jí)降壓架構(gòu)替代方案

Murata 的 BK? 電源架構(gòu)解決了其中的許多問題。它允許開關(guān)頻率保持在 1MHz 至 2MHz 的范圍內(nèi)，同時(shí)減少所需的電感量，并提高整體電源轉(zhuǎn)換效率。

Murata 的突破采用了兩級(jí)架構(gòu)，包括一個(gè)電荷泵、一個(gè)開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器和一個(gè)開關(guān)模式電源。Murata 專有的電荷泵設(shè)計(jì)解決了傳統(tǒng)上與電荷泵相關(guān)的基本問題，即低效率和高 EMI。

Murata 系統(tǒng)中使用的電流源實(shí)際上是降壓級(jí)中的電感器。該電感器非常接近電流源，用于吸收開關(guān)中通常產(chǎn)生的所有電荷再分配損耗。因?yàn)檫@個(gè)電流源電感器可以在輸出級(jí)，所以能量不會(huì)丟失，而是可以作為負(fù)載的有用能量回收。這種回收的能量允許電荷泵開關(guān)的串聯(lián)電阻（以及相關(guān)的寄生阻抗）盡可能小，因?yàn)槔擞侩娏鞑辉偈且粋€(gè)問題，并最大限度地減少了這部分電路中的電荷再分配損耗。在效率方面，Murata 的電荷泵的效率提高了 97% 到 99%（圖 1）。

圖 1。結(jié)合電荷泵和開關(guān)穩(wěn)壓器的兩級(jí)降壓轉(zhuǎn)換器（來(lái)源：Murata）

電荷泵本身也是兩相交錯(cuò)的，并為輸入提供幾乎 100% 的占空比。與占空比可能僅為 10% 的傳統(tǒng)降壓穩(wěn)壓器相比，這對(duì)輸入電流紋波和所需的輸入濾波量產(chǎn)生了巨大的影響。在測(cè)試中，Murata 測(cè)得的輸入電流紋波至少比同等單級(jí)降壓轉(zhuǎn)換器低五倍（圖 2）。

圖 2：?jiǎn)渭?jí)降壓與 Murata 兩級(jí)降壓輸入電流紋波的比較。（出處：村田）

降低電磁干擾

Murata 的兩級(jí)架構(gòu)將整個(gè)電壓轉(zhuǎn)換分解為跨多個(gè)輸入和輸出相位執(zhí)行的許多小電壓階躍。與單級(jí)降壓設(shè)計(jì)相比，最終結(jié)果是 Murata 的傳導(dǎo)和輻射 EMI 架構(gòu)的 EMI 特征要低得多。單級(jí)降壓中 EMI 的主要來(lái)源是電感器 (V(t) = L * (di/dt))。由于 Murata 在系統(tǒng)中使用的電感少得多，因此自然消除了大部分 EMI 源。

產(chǎn)品示例

Murata MY 系列 UltraBK? 4A/6A DC-DC 轉(zhuǎn)換器模塊是微型 UltraBK，稱為 Ultra Block。它們是一種超薄、高效的集成電源解決方案，將 4A 或 6A DC-DC 轉(zhuǎn)換器與組件結(jié)合在一起。這些集成模塊在尺寸為 10.5mm x 9.0mm x 2.1mm 的小型超薄 LGA 封裝中提供高達(dá) 90% 或 90.5% 的效率。易于使用的模塊端子設(shè)計(jì)通過(guò)最小化寄生布線電阻實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的電源布局和最大效率。其他功能包括電源良好輸出、過(guò)流和過(guò)熱保護(hù)、遠(yuǎn)程開/關(guān)控制和輸出電壓檢測(cè)。

應(yīng)用

Murata MY 系列 UltraBK 4A/6A DC-DC 轉(zhuǎn)換器模塊非常適合用于 PCIe/服務(wù)器應(yīng)用、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA) 和數(shù)字信號(hào)處理 (DSP)、數(shù)據(jù)通信/電信系統(tǒng)、分布式總線架構(gòu) ( DBA）、可編程邏輯和混合電壓系統(tǒng)。部分版本還可用于 I 2 C 6.0 兼容串行接口，工作頻率高達(dá) 1MHz。

結(jié)論

您已經(jīng)看到 Murata 如何展示一種獨(dú)特且有點(diǎn)不直觀的兩級(jí)架構(gòu)，該架構(gòu)在整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)中以復(fù)雜的布置使用許多低壓 FET。這種架構(gòu)在更小的占地面積和配置文件中實(shí)現(xiàn)了一流的效率。

這種兩級(jí)降壓是在非常成熟的 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元件，因此功率轉(zhuǎn)換通常占據(jù)系統(tǒng)電路面積的 30% 至 40% 縮小到一半，而不會(huì)影響效率。此外，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)允許更薄的解決方案，提高封裝密度，并使移動(dòng)產(chǎn)品更加纖薄。

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