电源转换模块的优势和应用分析

作者：Doctor M

电气化是第二次工业革命的典型标志，虽然我们当下正在推动以"工业4.0"为代表的第四次工业革命，但电力依然是国民经济和人民生活主要的能量来源，随着新能源理念的推行，电气化的渗透率在稳步上升。

以汽车电子/电气化趋势为例，根据中国乘联会的统计数据，2021年8月份中国新能源汽车渗透率已经突破20%大关，并将持续提升。业内人士指出，预计2022年中国新能车渗透率有望提前突破35%大关。在新能源的推动下，多元化的电源转换需求密集爆发，大量DC-DC、DC-AC升/降压转换器件出现在车子的各个区域。

电源转换器件的分类

随着用电场景愈发丰富，电源转换器件的种类也变得越来越多，在这里我们先简单对各类型电源转换IC进行统计。

先看DC/DC转换器，可以说这是工程师朋友最为熟悉的电源转换器件，其主要作用是转变输入电压并有效输出固定电压。在DC/DC转换器下面，还有更细分的划分，包括升压型DC/DC转换器、降压型DC/DC转换器以及升降压型DC/DC转换器。

AC/DC转换器则负责将交流电转化成为直流电，其功率流向可以是双向的，包括整流和有源逆变。对于AC/DC转换器，生活中最常见的使用场景就是开关电源，采用PWM原理调制出正弦波波形，再通过变压器变换电压，最后整流输出；对于DC/AC转换器，一般由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成，最常见的应用是在电机领域，尤其是在新能源汽车领域，将电池组输出的直流电能转换成交流电，用以驱动动力电机。

电源转换模块的优势

在方案开发的过程中，单一的转换器芯片并不能直接应用到系统方案中，还需要辅助以外围器件，包括各种被动器件和不同功能的稳压器芯片，最终才能将达标的电能传输给负载。

为了帮助工程师朋友更好地使用电源转换器，缩短产品上市的周期，各大制造商都在积极地推广电源转换模块，在相应的模块中集成高性能数字PWM控制器、双相功率MOSFET、电感器和无源器件等，不仅降低了转换器的使用难度，同时在板载空间方面得到增强。

以贸泽电子正在销售的来自制造商Vicor的DCM3717非隔离式稳压DC/DC转换器模块为例，该模块集成了降压-升压稳压器和正弦振幅转换器 (SAC) ，外形尺寸仅为36.7×17.3×7.42mm，具有灵活的散热管理选项，能够帮助用户达成以前无法实现的系统尺寸、重量和效率。

图1：DCM3717非隔离式稳压DC/DC转换器模块（图源：Vicor）

在产品设计方面，Vicor获得专利的高性能ZVS降压-升压稳压器和竞品的硬开关解决方案相比优势明显，通过图2能够看出，在24VIN至2.5VOUT (9.6:1) 10A设计中，Vicor的ZVS降压拓扑和硬开关解决方案满载效率相差近6.5%，9A测量点功率损耗提升52%以上。

图2：Vicor的ZVS 降压拓扑和硬开关解决方案实测性能对比（图源：Vicor）

通过集成高性能ZVS降压-升压稳压器，DCM3717模块突破了传统硬开关降压稳压器拓扑在宽动态范围下对功率密度和吞吐量的限制，克服了硬开关、体二极管导通和栅极驱动损耗对优化功耗、效率和功率密度的阻碍，进而实现更高的效率、更大的吞吐量和更宽的动态范围。借助这样的创新型设计，DCM3717模块让自身和使用该模块的方案设计都能够具有非常高的功率密度。

在产品测试方面，从图3和图4上面能够清晰的看出，不管是单独应用，还是双模块并列使用，DCM3717模块在实际应用中只需要简单的外部辅助电路，外围器件数量明显减少。在具体的应用中，DCM3717模块最多支持四个模块并行使用。

图3：单模块应用电路图（图源：Vicor）


图4：双模块并列阵列的应用电路图（图源：Vicor）

DCM3717阵列的并行操作是为了应对系统对更高功率的要求，通过正确配置的n个DCM3717阵列，能够在无电气降额的情况下获得单个模块的额定功率或电流乘以n的效果，进而满足更高的输出功率。在实际的PCB布局中推荐使用如图5所示的PCB布局，每个DCM3717模块应靠近放置，缩短互连控制信号传输，从而改善杂散电容和系统噪声。

图5：DCM3717模块推荐PCB布局（图源：Vicor）

与此同时，DCM3717模块在宽输入范围（40VDC至60VDC）和宽输出范围（10VDC至13.5VDC）的情况下，峰值效率高达97%。通过测试，如图6所示DCM3717模块持续运行功率可达750W，瞬时峰值功率可达900W。

图6：DCM3717模块持续运行功率（图源：Vicor）

在测试过程中，DCM3717模块在多个指定的工作温度下都能够有高效率的表现，包括25℃、100℃和-20℃三大特征温度。

图7：25℃，VOUT = 10.0V下的效率表现（图源：Vicor）


图8：100℃，VOUT = 10.0V下的效率表现（图源：Vicor）


图9：-20℃，VOUT = 10.0V下的效率表现（图源：Vicor）

在产品应用方面，DCM3717模块是稳压的12V电源，可以迅速为传统的12V负载部署高性能48V供电，支持纯电动及混合动力汽车的LV148规范和分布式48V服务器背板架构。36.7*17.3*7.42mm的表贴封装 (SM-ChiP)让采用DCM3717模块的电源可以显著优化电源尺寸、重量，进而实现更高的功率密度，顶侧和底侧热阻非常低，提供了灵活的散热管理选项。

综合而言，通过集成化、模块化的方式，DCM3717模块帮助用户降低设计难度，节省开发时间，实现高功率、高效率，并通过SM-ChiP方式拥有更高的功率密度。DCM3717模块满足LV148规范和分布式48V服务器背板架构，并提供灵活的散热管理选项，适用于数据中心、汽车和工业市场。

对于AC/DC转换而言，模块化的优势同样明显。以贸泽电子在售的来自制造商Murata Power Solutions的BAC1隔离式1W AC/DC转换器模块为例，制造商的器件编号为BAC1S12SC，这款稳压单输出转换器模块采用板上安装和SIP封装结合的方式，支持在静止空气中运行，适用于最苛刻的环境。

图10：BAC1转换器模块（图源：Murata Power Solutions）

BAC1转换器模块具有高效率、高可靠性、低待机功耗、更小的板载空间、医疗级安全认证等诸多优点。具体来看，BAC1转换器模块能够在高达+85°C下提供全功率，提供全稳压1W交流/直流能力，是功耗要求严苛型需求的理想解决方案，超低的待机功耗仅有20mW。

作为一款高度集成的AC/DC转换器模块，BAC1在输入和输出方面具有两大突出优势。首先是输入和输出的宽范围，BAC1转换器模块支持有85VAC至264VAC（305VAC电压待定）和70VDC至400VDC输入电压范围，可输出5V、12V或24V的单输出电压；其次是应对宽输入范围，BAC1转换器模块在输出端拥有出色的线性调整率和负载调整率，其中典型的线性调整率为5V输出时可达0.3% ，12V和24V输出时可达0.1%，典型负载调整率则为0.1%，也就是说BAC1转换器模块在输入电压最高最低时，依然能够稳定输出。

同时，通过图11能够看到，BAC1转换器模块能够在和分立式方案的对比中，实现高达75%的板载面积节约，为紧凑型方案提供了丰富的设计余量。

图11：BAC1转换器模块占板空间（图源：Murata Power Solutions）

总结而言，模块化的AC/DC转换器拥有的优势和模块化的DC/DC转换器基本类似，通过集成的方式，实现了更高的效率和性能，并大幅度减少方案的外围器件数量，最终为工程师朋友们带来更低的设计难度，更小型化的设计方案，以及更低的总拥有成本。

电源转换模块的应用

模块化的AC/DC转换器和DC/DC转换器克服了分立式设计的种种障碍，并凭借更宽的输入和输出范围适用于更广泛的应用场景。

上面提到DCM3717非隔离式稳压DC/DC转换器模块的一些应用优势，现在我们系统地总结一下。通过模块化的方式，DCM3717转换器模块打破了分立式设计"需求必须明确"的限制，且因为外围器件少和拥有参考设计，工程师朋友们可以借此快速打造数据中心、高性能计算 (HPC) 系统、轻度混合动力和自主驾驶汽车以及工业系统等领域的应用。

相信大家已经发现，DCM3717转换器模块面向的领域除了对效率有严格要求外，对散热性能也有高要求。以数据中心和HPC系统来说明，巨量的服务器被放置在机架上，并以一定的间隔充满整个机房，这其中很多服务器的运行时间是24小时不停歇。在这个过程中，电源器件拥有高效率，以及出色的散热能力是至关重要的，通过上面的图5/6/7已经体现出，DCM3717转换器模块在各个特征温度下都具有高效表现，进而提升服务器处理任务的效率。在散热方面，DCM3717转换器模块顶侧和底侧热阻非常低，因而自身热量的产生非常少，并提供灵活的散热管理选项支持用于纯电动和混合动力汽车的LV148规范和分布式48V服务器背板架构的开放计算项目，并能够对传统12V多相负载进行支持。

从应用角度来看，BAC1隔离式1W AC/DC转换器模块凭借出色的性能、体积和功耗，同样是一个多面手，包括工业控制、自动化、医疗、电信和物联网等各种市场都能够受益于BAC1模块的性能优势。

以物联网中的智慧楼宇来展开，电力系统是智慧楼宇运转的基石。为解决传统楼宇在能耗、协议和维护成本方面的短板，智慧楼宇将各种类型的终端进行整合，并统一调配，市场的大趋势是智慧楼宇中大量的终端开始采用电源模块供电，正如在介绍BAC1转换器模块时提到的，模块电源为系统带来了更稳定的输出、更高效的性能和更低的待机功耗。同时，凭借集成优势和外围器件少的优势，极大地降低了智慧楼宇在维护方面的成本。

对于BAC1转换器模块面向的工业控制、自动化、医疗、电信等大系统，这样的优势都是一脉相通的。

因此，无论是对于器件发展而言，还是对工程师设计难度而言，亦或者是对设备小型化趋势而言，也包括对市场应用而言，融合高效、集成、易用、稳定等于一身的电源转换模块都体现了自己的价值，让电源系统的设计不再局限于从业者的经验之谈，从"源头"为高效节能的经济社会发展赋能。