【導(dǎo)讀】隨著人工智能（AI）與機器人技術(shù)的快速發(fā)展，在工業(yè)環(huán)境的自動化應(yīng)用越來越廣泛，新型態(tài)的功率半導(dǎo)體器件具備體積小、效率高等優(yōu)勢，將能夠使這些自動化設(shè)備穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)。本文將為您介紹穩(wěn)壓器的發(fā)展趨勢，以及Murata所推出的相關(guān)解決方案。
MOSFET提升開關(guān)頻率與轉(zhuǎn)換效率
自1970年代開關(guān)模式電源進入市場以來，傳統(tǒng)的非隔離降壓穩(wěn)壓器架構(gòu)基本保持不變，是由兩個開關(guān)或一個開關(guān)和一個二極管組成。這兩個開關(guān)彼此異相操作，一個是“高側(cè)”串聯(lián)開關(guān)，可將電流傳導(dǎo)至受存儲能量的串聯(lián)電感器限制的負(fù)載，另一個是“低側(cè)”開關(guān)，允許電流繼續(xù)流入負(fù)載，同時從電感器釋放能量。
到了1980年代中期，業(yè)界引入了硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET），允許開關(guān)頻率從20-30 kHz增加到200-300 kHz。這種頻率增加導(dǎo)致電感器尺寸成比例地減小。FET的使用還將轉(zhuǎn)換效率提高了大約10%（從通常的60-70%提高到70-80%），并有助于加快開關(guān)轉(zhuǎn)換，從而提高EMI性能。
根據(jù)摩爾定律，功率轉(zhuǎn)換仍然是一種模擬功能，并且不能在硅片中進行縮放。因此，硅尺寸基本保持不變。隨著材料的改進，濾波電容技術(shù)發(fā)生了很大變化，電容器的結(jié)構(gòu)也隨之減小。此外，降壓穩(wěn)壓器現(xiàn)在使用多層陶瓷電容器（MLCC）作為輸入和輸出濾波器，并根據(jù)需要使用導(dǎo)電聚合物鉭固體電容器（POSCAP）作為大容量電容。電感器的變化非常小，只要幾安培以上，仍然是繞線組件，通常占電源轉(zhuǎn)換總電路板空間的50%。因此，電感器已成為決定整體解決方案尺寸和高度的問題組件。任何通過縮小電感來減小解決方案尺寸的嘗試，都意味著開關(guān)頻率的增加、效率的相應(yīng)降低和EMI的增加。
新電源架構(gòu)追求更小尺寸與更高的效率
為了追求更小尺寸和更高效的電源轉(zhuǎn)換，Murata為市場帶來一種新的電源架構(gòu)，允許開關(guān)頻率保持在1-2 MHz范圍內(nèi)，同時減少所需的電感量，并提高整體功率轉(zhuǎn)換效率。Murata采用特有的兩級架構(gòu)，包括帶有開關(guān)模式電源的電荷泵（也稱為開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器）。電荷泵是高度特有的技術(shù)，解決了一些傳統(tǒng)上電荷泵在效率低下和高EMI方面相關(guān)的基本問題。
Murata的兩級架構(gòu)不是單級降壓，所有工作都由兩個開關(guān)和一個電感器完成，輸入到輸出電壓在電感器上轉(zhuǎn)換，是在輸入和輸出的多個階段中，將整個電壓轉(zhuǎn)換分解為許多小的電壓階。此外，與傳統(tǒng)的單級降壓電路所看到的相當(dāng)大的電流脈沖相比，采用兩級架構(gòu)的電流幾乎是連續(xù)地流入系統(tǒng)。
這種兩級架構(gòu)的最終結(jié)果，便是Murata的傳導(dǎo)和輻射EMI架構(gòu)所產(chǎn)生的EMI特征要低得多，這是因為單級降壓電路中EMI的主要來源是電感器，因為Murata在系統(tǒng)中使用的電感要少得多，所以自然消除了大部分EMI源。
這種兩級降壓架構(gòu)，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組件，因此功率轉(zhuǎn)換從通常占用系統(tǒng)電路面積的30-40%縮小到一半，且不會影響到效率。最后，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)可以實現(xiàn)更薄的解決方案，提高封裝密度，并使移動產(chǎn)品更為纖薄。
提供無損降壓轉(zhuǎn)換的功率半導(dǎo)體
Murata推出的功率半導(dǎo)體FlexiCP?的PE252xx系列，是基于Murata特有的絕熱或無損電荷泵技術(shù)的超高效電容分壓器產(chǎn)品。該技術(shù)非常適合為中間總線系統(tǒng)提供“無損”降壓轉(zhuǎn)換，以支持下游負(fù)載點并實現(xiàn)更高水平的效率，該IC基于集成FET的集成電荷泵控制架構(gòu)，能夠并聯(lián)連接以適應(yīng)高功率系統(tǒng)要求。
Murata電荷泵可以把它想象成一個幾乎無損的直流變壓器，且體積非常小，支持開環(huán)Vout跟隨Vin，Vout是Vin的固定比率（即÷2、÷3、÷4或×2、×3、×4等），在一個部份內(nèi)可能有多個比率（例如÷2、÷3），且無論比例如何，效率都保持大致相同（≈97%），具有低紋波、EMI、噪聲的相位交錯和軟開關(guān)，本質(zhì)上可進行并行處理。
FlexiCP?功率半導(dǎo)體系列中的PE25200是用戶可選擇的÷2或÷3分壓電荷泵電容分壓器IC，具有集成FET，能夠以97%的峰值效率提供高達45瓦的功率，并可在2和3之間選擇分壓比，可以在移動計算應(yīng)用中將2芯或3芯鋰平臺轉(zhuǎn)換為1芯平臺。
PE25200器件還可以采用前端DC-DC轉(zhuǎn)換器作為12Vin負(fù)載點設(shè)計的一部分，可應(yīng)用于為數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡(luò)和光學(xué)設(shè)備供電的FPGA、DDR內(nèi)存和ASIC。PE25200器件采用WLCSP封裝，具有啟用、電源良好、頻率同步、循環(huán)跳躍、過流保護、過溫保護、UVLO、并聯(lián)運行等功能。
PE25200的典型應(yīng)用包括兩芯和三芯鋰電平臺、超級本和筆記本電腦、全尺寸平板電腦，以及采用超薄外形設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)和電信中的12VIN負(fù)載點設(shè)計的產(chǎn)品。Murata也推出PE25200評估套件（EVK），以允許客戶測試降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器。
Murata另一款功率半導(dǎo)體FlexiCP? PE25204則是一款超高效前端DC-DC轉(zhuǎn)換器解決方案，可將輸入電壓分壓為3或4份，是具有集成FET的48V 4分壓電荷泵電容分壓器IC，能夠以97%的峰值效率提供高達72瓦的功率。
PE25204器件可并聯(lián)使用以增加輸出功率，在4分頻操作中支持18V至60V的輸入電壓范圍，在3分頻操作中支持18V至45V之間的輸入電壓范圍。PE25204提供適用于數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、基站和光設(shè)備等產(chǎn)品，是各種48V至12V降壓轉(zhuǎn)換應(yīng)用的高功率、高效率解決方案。
PE25204采用WLCSP封裝，可在非常薄的1 mm高度的解決方案中使用電容器，支持啟用、電源良好、頻率同步、過流保護、過溫保護、UVLO、并聯(lián)運行等功能，可應(yīng)用于超級本／筆記本電腦、數(shù)據(jù)中心／服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、基站、光學(xué)設(shè)備、工業(yè)應(yīng)用等產(chǎn)品。Murata也提供PE25204評估套件（EK25204-01），可讓客戶輕松測試降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器。
顯著減小尺寸／高度與提升轉(zhuǎn)換效率的解決方案
Murata的功率半導(dǎo)體FlexiBK? PE241xx系列，是基于結(jié)合Murata特有的絕熱或無損電荷泵技術(shù)的超高效、2級負(fù)載點穩(wěn)壓器。該技術(shù)非常適合從2或3節(jié)電池或12Vin負(fù)載點應(yīng)用，提供降壓轉(zhuǎn)換，并顯著減小解決方案的尺寸／高度，同時提高轉(zhuǎn)換效率。該IC基于集成式電荷泵控制架構(gòu)和集成FET，以配置由電荷泵和降壓穩(wěn)壓器組成的2級架構(gòu)。FlexiBK? PE241xx系列都有相對應(yīng)的評估套件可供選用。
FlexiBK? PE241xx系列包括PE24101/ PE24102，支持一個輸出通道，最大輸出電流為6A，支持5.5V到14.4V的輸入電壓，以及0.6V到2.0V的輸出電壓，開關(guān)頻率為500到2000 kHz，具有90%的效率，支持I2C接口，采用WLCSP封裝。PE24101/PE24102搭配有MYTNA1R86RELA2RA與MYTNC1R86RELA2RA兩款超薄高效6A DC-DC UltaBK轉(zhuǎn)換器模塊，采用貼片封裝，支持PGOOD信號、過流保護、過溫保護、遠(yuǎn)程開／關(guān)、輸出感應(yīng)等功能。
另一款Murata FlexiBK? PE24108則是一款超小型、薄型和超高效降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器解決方案，是一款超高效、3.3Vin、9A、2級降壓穩(wěn)壓器IC，通過使用創(chuàng)新的兩級設(shè)計，實現(xiàn)了極低的高度和緊湊的占位面積，該設(shè)計結(jié)合了電容器分壓器電荷泵和雙相降壓穩(wěn)壓器，能夠在3V至3.6V的寬輸入電壓范圍內(nèi)，提供每級9A的輸出電流，最多可并聯(lián)4相以支持36A，支持使用3.3V總線電源供電。
PE24108的輸出電壓由外部反饋電阻選擇，并可通過外部AVS DAC進行調(diào)整，在0.37和0.7V之間調(diào)節(jié)，具有超高效率和低紋波性能，適用于空間關(guān)鍵和噪聲敏感的應(yīng)用，例如光模塊中的DSP/ASIC或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的FPGA。PE24108可以并聯(lián)連接以用于更高電流的應(yīng)用，典型應(yīng)用包括光模塊、核心電源、ASIC、FPGA。
結(jié)語
Murata獨特的降壓轉(zhuǎn)換兩級架構(gòu)是一種高度靈活的多級架構(gòu)，包括特有的“管道”級開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)（電荷泵）與降壓級相結(jié)合，無論轉(zhuǎn)換率如何，幾乎都是無損階段，效率很大程度上與輸入和輸出電壓之間的差異無關(guān)，能夠大大減小了電感器尺寸，在整個電源系統(tǒng)中使用建立在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝上的低壓FET，采用交錯式電荷泵級操作，可降低紋波／EMI輻射和提供更好的瞬態(tài)性能，將是電源應(yīng)用的理想選擇之一。
來源：艾睿電子
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