降压转换器 - 从电路到完全集成的模块

降压转换器的历史长达一个世纪之久,如果没有它们,实在无法想象现代电子电路会变成怎样。本文阐述笨重的机电降压转换组件如何进化为能够处理数百瓦输出功率的微型PCB安装组件。

降压转换器将电源电压转换为较低的输出电压。它们的基本元件如图 1 所示。首先,开关 SW1闭合,使得电流流入线圈L1。 这导致电流持续上升,直到开关SW1打开,开关SW2闭合。这会引起电流的变化。电容C1用作积分器;因此,最终的输出电压是电流和开关SW1 和SW2的导通时间的函数。

基本元件

S1和S2最初实际上是机械式开关,很快就被硅器件取代,S1带有晶体管,S2则带有二极管。

电路随着技术进步而变化

多年来,业界一直将尽可能多的组件集成到电路中以减低成本和尺寸。能够将主开关S1直接集成到控制器IC中是一项突破,而线圈和二极管仍然在外部。为了进一步提高效率,较新的降压转换型款随后使用MOSFET器件实现两个开关(SW1和SW2),从而实现了高达2MHz的开关频率。

现在的目标是向小型化更进一步。由于开关频率不断增加,现在可以减小线圈结构的尺寸。电流的幅度下降,这影响了基本电容器的尺寸。使用内部发热较少的高级电容器,进一步推动了这方面的进步。

更小体积和更高效率

当前的目标是减小设计尺寸,同时进一步提高效率。为了实现这一点,循环开关电源电路必须最小化,并且Z轴上的组件必须相互堆叠安装。可以通过使用引线框架倒装芯片(FCOL)封装技术轻松实现,该技术将控制器IC(带有集成功率晶体管)直接垂直连接到引线框架上,旁边带有一个也直接安装在引线框架上的SMD扼流圈(图2)。

SMD扼流圈

这种结构能够实现高度紧凑的降压转换器模块的全自动生产,缩短了自屏蔽电感器的连接,因此也对电磁兼容性带来正面影响。采用这种方式制造的产品也可以进行模制,从而创建具有MSL3等级的无引线QFN封装(四方扁平无引线)并提供全面的环境保护。其中一个示例是Recom RPX系列产品(图 3),具有2.5A输出,可在1.2V和6V之间调节,封装尺寸仅为4.5mm x 4mm x 2mm,仅需要外部输入和输出电容器。

Recom RPX系列产品

这些降压转换器模块是完整的解决方案,可以使用标准 SMD 组装和炉焊工艺安装在用户的PCB上。Recom最近又推出了两款基于FCOL技术的RPX系列电源模块。RPX-1.0和RPX-1.5模块可以采用尺寸仅为3mm x 5mm x 1.6mm的超紧凑QFN封装发货,在36V DC下可达到1.5A电源电压。

结论

过去几十年,降压转换器取得了显着的发展。电容器、电感器、控制器IC和封装技术的创新使得所有组件能够集成到日益小型化的封装中,并且功率密度不断增加。通过将创新的3D电源封装技术用于隔离和非隔离转换器,目前已在很大程度上实现了制造类似于IC的低功耗DC/DC转换器的目标。预计未来会进一步改进性能和功率密度。另一方面,配备齐全装置的降压转换器模块具有与普通SMT组件相似的尺寸,亦将会用于最终的应用。