【導讀】電氣化是第二次工業革命的典型標志。雖然我們當下正在推動以“工業4.0”為代表的第四次工業革命，但電力依然是國民經濟和人民生活主要的能量來源。隨著新能源理念的推行，電氣化的滲透率在穩步上升。
以汽車電子/電氣化趨勢為例，根據中國乘聯會的統計數據，2021年8月份中國新能源汽車滲透率已經突破20%大關，并將持續提升。業內人士指出，預計2022年中國新能車滲透率有望提前突破35%大關。在新能源的推動下，多元化的電源轉換需求密集爆發，大量DC-DC、DC-AC升/降壓轉換器件出現在車子的各個區域。
電源轉換器件的分類
隨著用電場景愈發豐富，電源轉換器件的種類也變得越來越多，在這里我們先簡單對各類型電源轉換IC進行統計。
先看DC/DC轉換器，可以說這是工程師朋友最為熟悉的電源轉換器件，其主要作用是轉變輸入電壓并有效輸出固定電壓。在DC/DC轉換器下面，還有更細分的劃分，包括升壓型DC/DC轉換器、降壓型DC/DC轉換器以及升降壓型DC/DC轉換器。
AC/DC轉換器則負責將交流電轉化成為直流電，其功率流向可以是雙向的，包括整流和有源逆變。對于AC/DC轉換器，生活中最常見的使用場景就是開關電源，采用PWM原理調制出正弦波波形，再通過變壓器變換電壓，最后整流輸出；對于DC/AC轉換器，一般由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成，最常見的應用是在電機領域，尤其是在新能源汽車領域，將電池組輸出的直流電能轉換成交流電，用以驅動動力電機。
電源轉換模塊的優勢
在方案開發的過程中，單一的轉換器芯片并不能直接應用到系統方案中，還需要輔助以外圍器件，包括各種無源器件和不同功能的穩壓器芯片，最終才能將達標的電能傳輸給負載。
為了幫助工程師朋友更好地使用電源轉換器，縮短產品上市的周期，各大制造商都在積極地推廣電源轉換模塊。在相應的模塊中集成高性能數字PWM控制器、雙相功率MOSFET、電感器和無源器件等，不僅降低了轉換器的使用難度，同時在板載空間方面得到增強。
以貿澤電子正在銷售的來自制造商Vicor的DCM3717非隔離式穩壓DC/DC轉換器模塊為例。該模塊集成了降壓-升壓穩壓器和正弦振幅轉換器（SAC），外形尺寸僅為36.7*17.3*7.42mm，具有靈活的散熱管理選項，能夠幫助用戶達成以前無法實現的系統尺寸、重量和效率。
圖1：DCM3717非隔離式穩壓DC/DC轉換器模塊
（圖源：Vicor）
在產品設計方面，Vicor獲得專利的高性能ZVS降壓-升壓穩壓器和競品的硬開關解決方案相比優勢明顯。通過圖2能夠看出，在24VIN至2.5VOUT（9.6:1）10A設計中，Vicor的ZVS降壓拓撲和硬開關解決方案滿載效率相差近6.5%，9A測量點功率損耗提升52%以上。
圖2：Vicor的ZVS降壓拓撲和硬開關解決方案實測性能對比（圖源：Vicor）
通過集成高性能ZVS降壓-升壓穩壓器，DCM3717模塊突破了傳統硬開關降壓穩壓器拓撲在寬動態范圍下對功率密度和吞吐量的限制，克服了硬開關、體二極管導通和柵極驅動損耗對優化功耗、效率和功率密度的阻礙，進而實現更高的效率、更大的吞吐量和更寬的動態范圍。借助這樣的創新型設計，DCM3717模塊讓自身和使用該模塊的方案設計都能夠具有非常高的功率密度。
在產品測試方面，從圖3和圖4上面能夠清晰的看出，不管是單獨應用，還是雙模塊并列使用，DCM3717模塊在實際應用中只需要簡單的外部輔助電路，外圍器件數量明顯減少。在具體的應用中，DCM3717模塊最多支持四個模塊并行使用。
圖3：單模塊應用電路圖
（圖源：Vicor）
圖4：雙模塊并列陣列的應用電路圖
（圖源：Vicor）
DCM3717陣列的并行操作是為了滿足系統對更高功率的要求。通過正確配置的n個DCM3717陣列，能夠在無電氣降額的情況下獲得單個模塊的額定功率或電流乘以n的效果，進而滿足更高的輸出功率。在實際的PCB布局中推薦使用如圖5所示的PCB布局，每個DCM3717模塊應靠近放置，縮短互連控制信號傳輸，從而改善雜散電容和系統噪聲。
圖5：DCM3717模塊推薦PCB布局
（圖源：Vicor）
與此同時，DCM3717模塊在寬輸入范圍（40VDC至60VDC）和寬輸出范圍（10VDC至13.5VDC）的情況下，峰值效率高達97%。通過測試，如圖6所示DCM3717模塊持續運行功率可達750W，瞬時峰值功率可達900W。
圖6：DCM3717模塊持續運行功率
（圖源：Vicor）
在測試過程中，DCM3717模塊在多個指定的工作溫度下都能夠有高效率的表現，包括25℃、100℃和-20℃三大特征溫度。
圖7：25℃，VOUT=10.0V下的效率表現
（圖源：Vicor）
圖8：100℃，VOUT=10.0V下的效率表現
（圖源：Vicor）
圖9：-20℃，VOUT=10.0V下的效率表現
（圖源：Vicor）
在產品應用方面，DCM3717模塊是穩壓的12V電源，可以迅速為傳統的12V負載部署高性能48V供電，支持純電動及混合動力汽車的LV148規范和分布式48V服務器背板架構。36.7*17.3*7.42mm的表貼封裝（SM-ChiP）讓采用DCM3717模塊的電源可以顯著優化電源尺寸、重量，進而實現更高的功率密度。頂側和底側熱阻非常低，提供了靈活的散熱管理選項。
綜合而言，通過集成化、模塊化的方式，DCM3717模塊幫助用戶降低設計難度，節省開發時間，實現高功率、高效率，并通過SM-ChiP方式擁有更高的功率密度。DCM3717模塊滿足LV148規范和分布式48V服務器背板架構，并提供靈活的散熱管理選項，適用于數據中心、汽車和工業市場。
對于AC/DC轉換而言，模塊化的優勢同樣明顯。以貿澤電子在售的來自制造商Murata Power Solutions的BAC1隔離式1W AC/DC轉換器模塊為例，制造商的器件編號為BAC1S12SC。這款穩壓單輸出轉換器模塊采用板上安裝和SIP封裝結合的方式，支持在靜止空氣中運行，適用于最苛刻的環境。
圖10：BAC1轉換器模塊
（圖源：Murata Power Solutions）
BAC1轉換器模塊具有高效率、高可靠性、低待機功耗、更小的板載空間、醫療級安全認證等諸多優點。具體來看，BAC1轉換器模塊能夠在高達+85°C下提供全功率，提供全穩壓1W交流/直流能力，是功耗要求嚴苛型應用的理想解決方案，超低的待機功耗僅有20mW。
作為一款高度集成的AC/DC轉換器模塊，BAC1在輸入和輸出方面具有兩大突出優勢。首先是輸入和輸出的寬范圍，BAC1轉換器模塊支持85VAC至264VAC（305VAC電壓待定）和70VDC至400VDC輸入電壓范圍，可輸出5V、12V或24V的單輸出電壓；其次是應對寬輸入范圍，BAC1轉換器模塊在輸出端擁有出色的線性調整率和負載調整率，其中典型的線性調整率為5V輸出時可達0.3%，12V和24V輸出時可達0.1%。典型負載調整率則為0.1%，也就是說BAC1轉換器模塊在輸入電壓最高最低時，依然能夠穩定輸出。
同時，通過圖11能夠看到，BAC1轉換器模塊能夠在和分立式方案的對比中，實現高達75%的板載面積節約，為緊湊型方案提供了豐富的設計裕量。
圖11：BAC1轉換器模塊占板空間
（圖源：Murata Power Solutions）
總結而言，模塊化的AC/DC轉換器擁有的優勢和模塊化的DC/DC轉換器基本類似。通過集成的方式，實現了更高的效率和性能，并大幅度減少方案的外圍器件數量，最終為工程師朋友們帶來更低的設計難度，更小型化的設計方案，以及更低的總擁有成本。
電源轉換模塊的應用
模塊化的AC/DC轉換器和DC/DC轉換器克服了分立式設計的種種障礙，并憑借更寬的輸入和輸出范圍適用于更廣泛的應用場景。
上面提到DCM3717非隔離式穩壓DC/DC轉換器模塊的一些應用優勢，現在我們系統地總結一下。通過模塊化的方式，DCM3717轉換器模塊打破了分立式設計“需求必須明確”的限制，且因為外圍器件少和擁有參考設計，工程師朋友們可以借此快速打造數據中心、高性能計算（HPC）系統、輕度混合動力和自主駕駛汽車以及工業系統等領域的應用。
相信大家已經發現，DCM3717轉換器模塊面向的領域除了對效率有嚴格要求外，對散熱性能也有高要求。以數據中心和HPC系統為例，巨量的服務器被放置在機架上，并以一定的間隔充滿整個機房，這其中很多服務器的運行時間是24小時不停歇。在這個過程中，電源器件擁有高效率，以及出色的散熱能力是至關重要的。
通過上面的圖5/6/7已經體現出，DCM3717轉換器模塊在各個特征溫度下都具有高效表現，進而提升服務器處理任務的效率。在散熱方面，DCM3717轉換器模塊頂側和底側熱阻非常低，因而自身熱量的產生非常少，并提供靈活的散熱管理選項支持用于純電動和混合動力汽車的LV148規范和分布式48V服務器背板架構的開放計算項目，并能夠對傳統12V多相負載進行支持。
從應用角度來看，BAC1隔離式1W AC/DC轉換器模塊憑借出色的性能、體積和功耗，同樣是一個多面手。包括工業控制、自動化、醫療、電信和物聯網等各種市場都能夠受益于BAC1模塊的性能優勢。
以物聯網中的智慧樓宇來展開，電力系統是智慧樓宇運轉的基石。為解決傳統樓宇在能耗、協議和維護成本方面的短板，智慧樓宇將各種類型的終端進行整合，并統一調配，市場的大趨勢是智慧樓宇中大量的終端開始采用電源模塊供電。正如在介紹BAC1轉換器模塊時提到的，模塊電源為系統帶來了更穩定的輸出、更高效的性能和更低的待機功耗。同時，憑借集成優勢和外圍器件少的優勢，極大地降低了智慧樓宇在維護方面的成本。
對于BAC1轉換器模塊面向的工業控制、自動化、醫療、電信等大系統，這樣的優勢都是一脈相通的。
因此，無論是對于器件發展而言，還是對工程師設計難度而言，亦或者是對設備小型化趨勢而言，也包括對市場應用而言，融合高效、集成、易用、穩定等于一身的電源轉換模塊都體現了自己的價值，讓電源系統的設計不再局限于從業者的經驗之談，從“源頭”為高效節能的經濟社會發展賦能。
來源：貿澤電子
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