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降壓轉換器-從分立電路到完全集成的模塊

2022-01-06
作者:RECOM創新經理Steve Roberts、Rutronik產品銷售經理Axel Stangl
來源:RECOM

降壓轉換器已存在了一個世紀,是當今電子電路中不可或缺的一部分。本文將講述一個原始分立式器件如何演變成可以處理數百瓦功率的微型高集成器件。

降壓轉換器是將輸入電壓轉換為較低的輸出電壓,基本原理如圖 1 所示。最初,開關 SW1 關斷,電流流入線圈L1。由于線圈是一個微分元件,電流穩定地增加直到開關 SW1 導通SW2 關斷,導致電流發生變化。電容C1是積分元件,因此產生的輸出電壓是電流和開關 SW1 和 SW2 的導通時間的函數。

最初 S1 和 S2是真實的機械開關但很快就被硅取代 — S1 是晶體管而S2 是二極管。

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圖 1:降壓轉換器基本要素(圖片來源:Recom

電路隨技術進步而變化

多年以來,人們盡可能地將更多的器件件集成到控制電路來降低成本和縮小尺寸。其中一個突破發展是將主開關 S1 直接集成到控制器 IC 中,但線圈和二極管仍必須安裝在外面。后來為了進一步提高效率,在新版中SW1 和 SW2開關都配備了 MOSFET,開關頻率因此可高至 2MHz。

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圖2:集成降壓轉換器的發展(圖片來源:Recom)

集成線圈是小型化的關鍵

在開關成功傳換成 MOSFET 之后需要繼續向小型化邁進。由于開關頻率不斷增加,現在就可以縮小線圈尺寸。電流幅度降低會影響輸出電容的尺寸,而使用較低自熱損耗的高質量電容也能進一步改善。

然而,目前的目標是更加縮小設計尺寸并提高效率。為了達到目標必須縮短開關路徑以及在 Z 軸上重迭安裝器件。

最簡單的例子是引線框倒裝芯片 (FCOL) 封裝技術;控制器 IC(具集成功率晶體管)直接倒置連接到引線框沖壓網格,旁邊是同樣直接連接到引線框架的SMD 電感(圖 3)。

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圖 3:引線框倒裝芯片結構

這種設計可以實現非常緊湊的降壓轉換器模塊的全自動生產。屏蔽電感器連接線的縮短也對 EMC 表現有正面影響。以這種方式制造的產品也可以經過包覆形成 QFN(四方扁平封裝無引線),濕度敏感等級為 MSL3并具有完整的環境保護。其中一個例子是 RECOM RPX 系列(圖 4),4.5 x 4 x 2 毫米的小封裝提供 2.5A 輸出電流和1.2V 至 6V可調輸出電壓,僅需外部輸入和輸出電容。

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圖 4:RECOM RPX降壓轉換器POL模塊的集成芯片電感和引線框倒裝芯片設計(圖片來源:Recom)

這些模塊本身即是完整的解決方案,使用標準 SMT和回焊制程就能安裝在用戶的 PCB 上。RECOM另外兩款采用FCOL 封裝技術的 RPX 系列模塊:RPX-1.0 和 RPX-1.5 系列能夠在3 x 5 x 1.6mm超緊湊 QFN 封裝中提供高達 36VDC 輸入電壓和 1.5A 輸出電流。

結論

降壓轉換器在這幾十年來取得了顯著的發展。電容器、電感器、控制 IC 和封裝技術的創新讓器件能夠以更高的功率密度集成到不斷縮小的封裝之中。現在,隔離式和非隔離式轉換器使用創新的 3D 電源封裝技術,在很大的程度上將低功率 DC/DC 轉換器 IC 化,預計未來將進一步提高性能和功率密度。而作為一般用途的模塊時,全功能降壓轉換器與普通 SMT 器件一樣具有相同的量級,并以同樣的方式在最終應用中找到屬于它們的位置。

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