为什么功率转换仍然算不上大宗商品

选择合适的电源转换器仅仅意味着找到最便宜的器件吗?事实证明，电源电压转换领域的创新是值得的，并且在市场上获得了回报——因为这些解决方案带来了更高质量的产品。将在本文概述一些利用低成本电源转换器成功实现高质量产品的应用实例。

几乎所有电气设备都会使用电源转换器。多年来，人们针对不同的应用条件设计和调整电源转换器。今天的制造商之间是否有差异化?

“大宗商品”特指这样一类商品——市场上不同制造商生产的该商品之间差别不大，并且各自的价格(像原材料价格一样)主要由制造成本决定，产品创新的空间很小。

大约20年前，我开始在电源半导体领域工作，当时电源行业的很大一部分应用正在经历一场剧变。大多数应用正从线性稳压器(LDO)过渡到效率更高的开关稳压器。这主要是通过开发内置功率开关的开关稳压器IC，以及大大便利此类开关稳压器解决方案应用的简化设计来实现的。凌力尔特公司(现为ADI公司的一部分)在实现这一根本性变革中发挥了重要作用。

在那段重要时期之后，人们经常听到这样的说法——电源业务再也无法产生重大创新，进一步的发展只会朝着一个方向前进：降低成本。

简单电压转换即足够的应用

当今肯定存在简单电压转换即足够的应用。用于消费类产品的非常便宜的开关模式电源就是此类应用。具有几乎相同技术特性的电源转换器广泛存在。线性稳压器的价格在几欧分左右。简单的开关稳压器也能以每个几美分的价格获得，但其具有明显的优势，例如更高的效率和更大的输出电流。

电压转换器市场的差异化

然而，对于大多数应用而言，电源领域将不再有创新的预测被证明是错误的。即使在赠品等廉价促销品中，电源转换质量也起着决定性作用。这可以用我已使用多年的一件促销礼物来说明：我车上点烟器的USB充电适配器。它承诺提供最高2A的充电电流。集成开关模式电源转换器将12V转换为5V，可以很好地产生2A电流。它使用标准开关稳压器来减少如此高功率下的热损失。遗憾的是，当使用此USB适配器时，车载收音机便停止工作。转换器的开关频率和开关转换的频率引起了强辐射，使无线电接收变得不可能。选择开关稳压器时，注意的是价格，而不是确保低电磁辐射。

另一个例子是带纽扣电池的廉价设备，短时间运行后就要更换电池。在这里，最终产品的质量同样直接取决于电源的质量。

适合大多数应用的高质量创新

还要考虑到持续良率以及防止过多电子废料，这也需要开发更高质量的电源产品。因此，在大多数应用中，稳压器并未成为大宗商品。以下是一些非常成功的创新目标。

提高转换效率

能源是要花钱的。这笔钱是支付给电力公司，用于购买电池，还是为光伏系统制造太阳能电池所导致的开销，无关紧要。因此，对于所有电源，转换效率都很重要。在某些情况下，它甚至是决定性的。

电压转换过程中发生的能量损耗会导致另一个问题：系统升温。如果必须安装额外的散热器和风扇，成本可能变得相当高。电子电路的可靠性和耐用性通常也严重依赖于工作温度。

无论是极低功率(如能量收集或电池供电应用)还是高功率(如kW范围的电源单元)，提高效率基本上是所有的创新目标。20年前，85%的转换效率对于开关稳压器来说可能很不错，但在今天的许多应用中，即使93%也不够高。看起来这种趋势不会很快消失。100%的转换效率似乎并不容易达到，但仍将是目标。100%效率的电压转换意味着没有任何损失。

为了提高效率，可以进行许多创新。创新之一是可以降低RDS(ON)(即处于“导通”状态的开关的电阻)和开关的栅极电容。另外也可以提高开关转换的速度，这会降低开关损耗。许多此类改进是由GaN和SiC等新型开关技术提供的。

另一种选择是降低无源元件(如电感和电容)的损耗。

除了这些明显的调整之外，还有涉及开关稳压器拓扑结构的方法。LTC7821混合转换器就是一个例子。它将电荷泵与降压转换器相结合，在电源电压转换为较低电压时可实现非常高的效率。对于48V至12V转换，在20A输出电流和500kHz开关频率的条件下，可以实现97.3%的转换效率。使用标准商用硅MOSFET可产生240W的输出功率。图1说明了混合降压转换概念。损耗之所以如此之低，是因为电荷泵的工作效率极高，而且由于电源电压已经减半，下游降压转换器可以在最优电压范围内工作。

图1.混合开关稳压器拓扑结构，用于在某些应用中实现特别高的转换效率