降壓轉(zhuǎn)換器-從分立電路到完全集成的模塊

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

降壓轉(zhuǎn)換器是將輸入電壓轉(zhuǎn)換為較低的輸出電壓，基本原理如圖 1所示。最初，開(kāi)關(guān) SW1 關(guān)斷，電流流入線(xiàn)圈L1。由于線(xiàn)圈是一個(gè)微分元件，電流穩(wěn)定地增加直到開(kāi)關(guān) SW1 導(dǎo)通SW2 關(guān)斷，導(dǎo)致電流發(fā)生變化。電容C1是積分元件，因此產(chǎn)生的輸出電壓是電流和開(kāi)關(guān) SW1 和 SW2 的導(dǎo)通時(shí)間的函數(shù)。

最初 S1 和 S2是真實(shí)的機(jī)械開(kāi)關(guān)但很快就被硅取代—S1 是晶體管而S2 是二極管。

圖 1：降壓轉(zhuǎn)換器基本要素（圖片來(lái)源：Recom）

電路隨技術(shù)進(jìn)步而變化

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

分立式設(shè)計(jì)異步同步集成電感

圖2：集成降壓轉(zhuǎn)換器的發(fā)展（圖片來(lái)源：Recom）

集成線(xiàn)圈是小型化的關(guān)鍵

在開(kāi)關(guān)成功傳換成 MOSFET 之后需要繼續(xù)向小型化邁進(jìn)。由于開(kāi)關(guān)頻率不斷增加，現(xiàn)在就可以縮小線(xiàn)圈尺寸。電流幅度降低會(huì)影響輸出電容的尺寸，而使用較低自熱損耗的高質(zhì)量電容也能進(jìn)一步改善。

然而，目前的目標(biāo)是更加縮小設(shè)計(jì)尺寸并提高效率。為了達(dá)到目標(biāo)必須縮短開(kāi)關(guān)路徑以及在 Z 軸上重迭安裝器件。

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

圖 3：引線(xiàn)框倒裝芯片結(jié)構(gòu)

這種設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)非常緊湊的降壓轉(zhuǎn)換器模塊的全自動(dòng)生產(chǎn)。屏蔽電感器連接線(xiàn)的縮短也對(duì) EMC 表現(xiàn)有正面影響。以這種方式制造的產(chǎn)品也可以經(jīng)過(guò)包覆形成 QFN（四方扁平封裝無(wú)引線(xiàn)），濕度敏感等級(jí)為 MSL3并具有完整的環(huán)境保護(hù)。其中一個(gè)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(diào)輸出電壓，僅需外部輸入和輸出電容。

圖 4：RECOM RPX降壓轉(zhuǎn)換器POL模塊的集成芯片電感和引線(xiàn)框倒裝芯片設(shè)計(jì)（圖片來(lái)源：Recom）

這些模塊本身即是完整的解決方案，使用標(biāo)準(zhǔn) SMT和回焊制程就能安裝在用戶(hù)的 PCB 上。RECOM另外兩款采用FCOL 封裝技術(shù)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(dá)36VDC輸入電壓和1.5A輸出電流。

結(jié)論

降壓轉(zhuǎn)換器在這幾十年來(lái)取得了顯著的發(fā)展。電容器、電感器、控制 IC 和封裝技術(shù)的創(chuàng)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(xiàn)在，隔離式和非隔離式轉(zhuǎn)換器使用創(chuàng)新的 3D 電源封裝技術(shù)，在很大的程度上將低功率 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 IC化，預(yù)計(jì)未來(lái)將進(jìn)一步提高性能和功率密度。而作為一般用途的模塊時(shí)，全功能降壓轉(zhuǎn)換器與普通 SMT 器件一樣具有相同的量級(jí)，并以同樣的方式在最終應(yīng)用中找到屬于它們的位置。