【導(dǎo)讀】隨著各種電子產(chǎn)品朝向小型化發(fā)展，傳統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換模塊也需要縮小體積、提高效率，來滿足日益嚴(yán)苛的系統(tǒng)需求。新型的電荷泵架構(gòu)將會是實(shí)現(xiàn)薄型化和高效率功率轉(zhuǎn)換模塊的關(guān)鍵。本文將為您介紹電荷泵架構(gòu)的特性，以及由村田制作所（Murata）推出的新型功率轉(zhuǎn)換解決方案的產(chǎn)品優(yōu)勢。
可以實(shí)現(xiàn)薄型化和高效率的電荷泵架構(gòu)
電荷泵是一種利用電容器儲存能量的DCDC轉(zhuǎn)換器，可以產(chǎn)生雙倍電壓、半電壓和反相電壓等。它由開關(guān)器件和電容器組成，電荷泵是開環(huán)控制的，輸出電壓具有下降特性，將隨著負(fù)載電流的增加而下降。此外，電荷泵不需要電感器，一般來說，磁性組件往往是最高的組件，并且在DCDC轉(zhuǎn)換器中占據(jù)較大的PCB面積。另一方面，通過電荷泵可以實(shí)現(xiàn)小而薄的DCDC轉(zhuǎn)換器。
由于電荷泵是一種向輸出電容器（COUT）離散供電的拓?fù)?，因此需要一段時(shí)間將功率從COUT輸送到輸出負(fù)載。如此一來，輸出紋波電壓將會增加。為了解決這個(gè)問題，需要安裝許多電容器或大電容，這將導(dǎo)致解決方案尺寸增加。另外，在對已放電的電容器進(jìn)行充電期間，電容器上會產(chǎn)生瞬態(tài)電流，從而使組件受到該瞬態(tài)電流的應(yīng)力。此外，電荷重新分配損耗（電荷泵特有的與電容器之間的電荷傳輸相關(guān)的損耗）會導(dǎo)致效率降低。因此，電荷泵尚未應(yīng)用于極低功耗產(chǎn)品。
一般使用的降壓轉(zhuǎn)換器是由輸入和輸出電容器、高側(cè)MOSFET、低側(cè)MOSFET和電感器組成。它是電力電子電路，可將直流輸入轉(zhuǎn)換為輸出的可變直流。通過調(diào)整MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間，可以將其轉(zhuǎn)換為輸出電壓。導(dǎo)通時(shí)間由反饋電路決定，以維持輸出電壓。即使輸入電壓或輸出電流發(fā)生變化，閉合反饋環(huán)路也能保持輸出電壓恒定。
在架構(gòu)上，電荷泵與傳統(tǒng)電感降壓轉(zhuǎn)換器的行為有所不同。電荷泵是一個(gè)N分頻電容電壓轉(zhuǎn)換器，電壓轉(zhuǎn)換比取決于每個(gè)產(chǎn)品。它是一種開環(huán)轉(zhuǎn)換器，不具有輸出調(diào)節(jié)能力。因此，輸出電壓將隨著負(fù)載電流的增加而降低。
電感電流由電壓、MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間和電感決定，為了降低紋波電流，需要增加電感或開關(guān)頻率，因此需要增加電感的匝數(shù)或增加磁芯截面積以獲得更高的電感量。在傳統(tǒng)電感降壓轉(zhuǎn)換器中，DCR（直流電阻）會因匝數(shù)增加而增加，將導(dǎo)致傳導(dǎo)損耗增加。當(dāng)使用厚繞組來減少損耗時(shí)，就需要繞組空間。因此，將需要一個(gè)大的磁芯。由于磁芯體積較大，因此很難減小大電流降壓轉(zhuǎn)換器的電感。當(dāng)開關(guān)頻率設(shè)置為較高頻率時(shí)，會導(dǎo)致MOSFET的開關(guān)損耗增大，從而導(dǎo)致效率下降。由于電感器的限制，要實(shí)現(xiàn)更小尺寸、薄型化和高效率將變得更加困難。
另一方面，電荷泵則通過電容器供電。在使用電感器或變壓器進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換的電路拓?fù)渲?，磁性組件往往成為薄型產(chǎn)品的瓶頸。如上所述，使用薄型磁性組件會導(dǎo)致效率降低。電荷泵可以實(shí)現(xiàn)薄型化和高效率，原因是電容器的功率密度比電感器的功率密度更高。因此，利用電荷泵可以實(shí)現(xiàn)高功率密度的電源。
電荷泵是一種可以實(shí)現(xiàn)小尺寸和高效率的電壓轉(zhuǎn)換方案，特別是在需要薄型的應(yīng)用中。雖然它的缺點(diǎn)是負(fù)載調(diào)節(jié)比降壓轉(zhuǎn)換器差，但它適合在中間總線系統(tǒng)中作為第一級轉(zhuǎn)換器，輸出電壓則由第二級轉(zhuǎn)換器的負(fù)載點(diǎn)（PoL）調(diào)節(jié)。
采用電荷泵架構(gòu)的小尺寸和高效率電壓轉(zhuǎn)換方案
Murata推出了MYC0409-NA這款采用電荷泵架構(gòu)的產(chǎn)品，該模塊是針對電荷泵的缺點(diǎn)（例如在器件上的輸出紋波增加、PCB尺寸較大、瞬態(tài)應(yīng)力等），使用自己的技術(shù)來進(jìn)行設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。
MYC0409-NA從輸入電壓到輸出電壓是固定的四分頻轉(zhuǎn)換比，它可以從48V轉(zhuǎn)換到大約12V。該模塊對于48V系統(tǒng)和54V系統(tǒng)穩(wěn)定產(chǎn)生中間總線電壓。由于該產(chǎn)品采用Murata專有的電荷泵技術(shù)，因此在2.1mm高度內(nèi)具有高效率和高功率密度。Murata的技術(shù)不需要使用更高或更重的部件，因此，它可以安裝在PCB板的背面。
Murata的電荷泵使用小型電感器，電感連接在電荷泵后面，可以通過LC濾波器降低輸出紋波電壓。由于與降壓轉(zhuǎn)換器相比，電感器兩端的電壓幅度非常小，因此不需要高電感。由于匝數(shù)少，電感也低，可以采用DCR小的電感，這導(dǎo)致傳導(dǎo)損耗減少。雖然平均輸入電流隨轉(zhuǎn)換率成比例下降，但瞬時(shí)輸入電流等于通過降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電流，并由輸入電容器平滑。
此外，Murata的UltraCP?采用了兩相配置，占空比固定為50%，輸入電流在每個(gè)周期輸送功率，因此不會引起輸入電容的瞬態(tài)電流變化。輸入電容器中流動的紋波電流相當(dāng)于電感電流的1/N（電壓轉(zhuǎn)換比）。因此，可以使用較少的電容器來實(shí)現(xiàn)低輸入紋波電壓。
以在小基站系統(tǒng)中應(yīng)用UltraCP?系列為例，MYC0409-NA安裝在AC/DC轉(zhuǎn)換器或DC/DC隔離轉(zhuǎn)換器之后，從48V線路產(chǎn)生12V。通過采用UltraCP?系列，可以實(shí)現(xiàn)高效、小型的系統(tǒng)。
超高效率的非隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊
Murata的UltraCP? MYC0409是一款非隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊，具有超高效率。MYC0409是一款48伏除以4電荷泵電容分壓器全集成模塊，能夠提供高達(dá)72W的功率，峰值效率為96.5%。
MYC0409-NA是一款超薄高效集成電源解決方案，將72W DC-DC轉(zhuǎn)換器與組件相結(jié)合，PCB背面占用空間最小，擁有小于2.0mm的超薄外形。該整體電源解決方案可用于無需環(huán)路補(bǔ)償，且在最少情況下僅需要三個(gè)外部組件的系統(tǒng)。
盡管采用小而薄的11.5 x 9.5 x 2.0mm LGA封裝，但這款完全集成的模塊仍可提供高達(dá)96.5%的效率，在48VIN/6A時(shí)效率高達(dá)95.0%。Murata易于使用的模塊引腳排列設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)簡單的電源布局，并通過最小化布線寄生電阻來實(shí)現(xiàn)效率最大化。該模塊具有固定的輸入電壓到輸出電壓的4分頻轉(zhuǎn)換比，輸入電壓范圍為20V至60V，支持48V總線系統(tǒng)，具有高功率密度（5.4kW/inch3）、優(yōu)異的熱性能、低紋波、低電磁干擾，并可在-40至+105℃的溫度范圍工作。
MYC0409模塊的峰值效率比1/16磚型70W的電源要好上2.5%，在48VIN、6A輸出、無風(fēng)散熱時(shí)，溫度上升也更低（相比低50℃），輸出紋波也低上75%，輻射電磁干擾亦低上20dB，單一MYC0409模塊可節(jié)省超過80%的尺寸與75%的高度，在與1/16磚型200W的電源比較時(shí)，三個(gè)并聯(lián)的MYC0409模塊則可節(jié)省超過35%的尺寸與75%的高度。MYC0409可以靈活使用，Murata可以提供符合DOSA標(biāo)準(zhǔn)的封裝給到行業(yè)的客戶。
MYC0409模塊可并聯(lián)連接，最多可并聯(lián)4個(gè)模塊，以提供高功率、高效率的解決方案，具有良好的開漏電源輸出、過流和過溫保護(hù)，采用補(bǔ)償無環(huán)路電荷泵，可與外部時(shí)鐘同步，適用于各種48V至12V降壓轉(zhuǎn)換應(yīng)用，如數(shù)據(jù)中心／服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)路由器、基站、光學(xué)設(shè)備、測試設(shè)備與LED指示牌。
Murata也推出MYBSN-P2評估模塊，將可加快客戶的產(chǎn)品開發(fā)速度。MYBSN-P2是一款采用MYC0409的1/16磚型高效非隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊，只需施加輸入電壓，然后MYBSN-P2便可開始在其輸出上產(chǎn)生分壓。MYBSN-P2的分頻比為四（VOUT=VIN/4），具有寬輸入電壓20至60V（除以四），效率高達(dá)96.3%，48VIN/10A時(shí)效率則高達(dá)95.0%，可支持高達(dá)10A的輸出。
緊湊、薄型、高效率的降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器解決方案
Murata的FlexiBK? PE24108功率半導(dǎo)體，則是一款緊湊、薄型、高效率的降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器解決方案，能夠在3.0V至3.6V的輸入電壓范圍內(nèi)提供每級10A的輸出電流，支持標(biāo)稱3.3V總線電源運(yùn)行輸出電壓，通過外部反饋電阻選擇，可在0.4至1.0V之間調(diào)節(jié)，擁有92%峰值效率，對于所有線路和負(fù)載變化，輸出電壓調(diào)節(jié)精度優(yōu)于±1%。
PE24108采用創(chuàng)新的兩級架構(gòu)設(shè)計(jì)，由一個(gè)兩相交錯(cuò)式電荷泵和一個(gè)交錯(cuò)式降壓穩(wěn)壓器組成，實(shí)現(xiàn)了極低的高度和緊湊的占板面積，該電源系統(tǒng)大大減少了小尺寸和高度受限應(yīng)用中高效解決方案對電感的依賴。
PE24108的每相能夠提供10A電流，最多可并聯(lián)4相以支持40A，并可通過外部AVS DAC進(jìn)行調(diào)整，外部同步引腳允許與外部時(shí)鐘同步。PE24108超高效率和低紋波性能適用于空間受限和對噪聲敏感的應(yīng)用，典型應(yīng)用包括薄型負(fù)載點(diǎn)（POL）穩(wěn)壓器、光模塊中的DSP/ASIC或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的FPGA核心電源供電等。
結(jié)語
傳統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換模塊，通常是系統(tǒng)中最占空間的部分，如果能夠縮小功率轉(zhuǎn)換模塊的體積并提高轉(zhuǎn)換效率，將能夠大幅縮小系統(tǒng)的體積，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性并降低功耗。由Murata推出的新型電荷泵架構(gòu)UltraCP? MYC0409 DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊與創(chuàng)新兩級架構(gòu)設(shè)計(jì)的FlexiBK? PE24108功率半導(dǎo)體，將會是縮小功率轉(zhuǎn)換模塊體積與提升效率的理想解決方案。
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