RECOM R-78XX系列低功耗電源轉(zhuǎn)換器應(yīng)用指南

以前,低功率穩(wěn)壓通常使用線性穩(wěn)壓器,只要輸入和輸出電壓之間的壓差不是太大,他們相對低的效率還是可接受的。但是,如果輸入電壓不穩(wěn)定,那么輸入電壓和輸出電壓差值可能會比較大,這會導(dǎo)致更大的內(nèi)部損耗,更低的效率以及更高的工作溫度。現(xiàn)在,Recom的R-78xx系列給出了一個從根本上解決問題的答案,在許多應(yīng)用中與傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器相比非隔離DC/DC變換器R-78xx系列有很多的優(yōu)點(diǎn)。

R-78xx系列按不同的使用特性分成多個小系列,所有SMD和SIP系列的工作環(huán)境溫度都達(dá)到85℃,輸入電壓范圍為4.5-34 V。

1.R-78xx-0.5系列的3個引腳的SIP封裝:

其引腳排列和間距與78xx線性穩(wěn)壓器一致,它的元件密度極高,能提供高效率(最大97%)的最大輸出電流為500mA的輸出。它的輸出電壓覆蓋通用標(biāo)準(zhǔn)的1.5v-15v,其外部尺寸僅為11.5 x 7.6 x 10.2 mm,因此可以被用作直接降壓來替換傳統(tǒng)的78xx線性穩(wěn)壓器,并且因為效率的提高,R-78xx-0.5系列可省掉78xx所需的散熱片和放置散熱片的PCB板空間。

2.R-78xx-0.5的SMT（表面貼片技術(shù)）版本:

提供輸入和輸出電壓與SIP（單列直插式封裝）版本一樣,但附加了一個ON/OFF引腳,使得穩(wěn)壓器可以工作在待機(jī)模式,待機(jī)電流一般值為20μA(最大值為35μA ),這使其在電池供電等對功耗要求非常嚴(yán)格的應(yīng)用中具有許多優(yōu)勢。另外,其輸出電壓可調(diào),使許多高規(guī)格電源供應(yīng)器的設(shè)計得以簡化。SMD（表面貼片器件）的封裝為高9mm的10-pin雙列封裝。

R-78xx-1.0系列成員也分成我們上面提到的兩種封裝形式,即SIP和SMD,它提供的輸出電流為1000mA。且其物理尺寸和工作環(huán)境溫度范圍與R-78xx-0.5的SIP和SMD系列一致,但輸入最大電壓降為18V,輸出電壓限制最大值為5V。

當(dāng)能量來源于手邊的各類蓄電池、由 UltraCaps（制動能量存儲器采用的一種最新的高效電容器技術(shù)）或者能源可轉(zhuǎn)換系統(tǒng)提供的汽車電池的時候,輸入電壓會高度的變化。由于R-78xx 系列能提供極寬輸入電壓范圍,因此很多革命性的新應(yīng)用隨之出現(xiàn)了。以下就是其中的一些例子：

（在下面的應(yīng)用中,為使線路更加簡潔,省略了退偶電容）

圖1：具有低紋波和低噪聲的穩(wěn)壓器

圖1所示的應(yīng)用是輸出非常低紋波和高效率的線路,兩類特性良好的穩(wěn)壓器用得恰到好處。首先,輸出可調(diào)的穩(wěn)壓器R-78A5.0-0.5SMD高效地降低了輸入電壓Ue,使得其僅高于LDO線性穩(wěn)壓器輸出要求的穩(wěn)定電壓Ua所需的最小電壓。其次,LDO輸出0.5 A電流要求的典型輸入輸出壓差為150-300 mV,R1和R2用來設(shè)置所需的輸出電壓值。R-78A5.0-0.5SMD的低噪音輸出使得LDO能夠快速穩(wěn)壓,并把紋波控制在20mVp-p。這個線路非常適合于敏感的傳感器或摸數(shù)轉(zhuǎn)換/數(shù)模轉(zhuǎn)換應(yīng)用。即使算上通過LDO到地漏掉的電流,這個線路仍然具有86%的整體效率。

圖2：逆向IBA（內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)）

一個類似于圖2的大家所熟悉的用于大功率電源的線路便是“內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)”,簡稱為IBA。IBA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用隔離變換器把主供應(yīng)電壓降為內(nèi)部總線電壓,然后,利用多個非隔離負(fù)載點(diǎn)（ni POL）轉(zhuǎn)換器再次作 dc/dc 轉(zhuǎn)換,直至最終所需的電路電壓。這個原理顯著的提高效率及降低整體成本。

在這里的應(yīng)用中,除了降低成本,不同的技術(shù)要求同樣是關(guān)注的焦點(diǎn)。圖2所示的線路適用于小功率電源供應(yīng)并且提供一個最理想的解決方案。這個線路中,非隔離的DC/DC變換器R-785.0-yy把一個高變化的輸入電壓轉(zhuǎn)換為準(zhǔn)確穩(wěn)定的5V總線電壓,因此其后的隔離DC/DC變換器可以得到高度穩(wěn)定的輸入電壓,從而即使沒有再經(jīng)過調(diào)制類也能輸出緊容差電壓。這種串聯(lián)方式的DC/DC變換器的整體效率仍能達(dá)到75%,高于成本高很多的一體化（all-in-one）解決方案,并且節(jié)約了印刷板空間。選擇逆向流電分離主要是出于成本考慮。原始的IBA布局因為系統(tǒng)只用了一個隔離器而節(jié)約成本,同時整體效率得到提高,而逆向IBA的成本優(yōu)勢在于使用了實(shí)用的,應(yīng)用面廣并且低價格的低功率隔離DC/DC變換器。

模塊解決方案進(jìn)一步的優(yōu)勢是用戶可通過將任意的輸出電壓進(jìn)行任意組合以滿足設(shè)計者的供應(yīng)要求。寬輸入電壓特性在多供應(yīng)源和需要備用電池消除供電中斷的系統(tǒng)中非常有用。考慮到電池供電系統(tǒng)或是類似的能量存儲系統(tǒng)的要求,可以再次參考圖2。當(dāng)儲存的能量釋放,輸出電壓往往會下降;而充電過程中輸出電壓上升。上述的轉(zhuǎn)換器可以在充電和放電全過程中保持輸出正常。內(nèi)部總線電壓越低,在輸出異常之前要求單次能量釋放就越多,值得強(qiáng)調(diào)的是如果選擇非常低的總線電壓,則其后的變換器的效率也會相對降低。

Fig 3: Energy Storage Circuit

Fig 4: Voltage vs Time Graph

在暫時性供電中斷需要被考慮的應(yīng)用中,往往會使用輔助能量儲備器,即后備電容。這里用到了與前面電池供電應(yīng)用類似的觀點(diǎn)。后備電容容量越小,單次釋放能量時電壓就下降的越大,這樣一來對板面空間的要求就減小很多,尤其當(dāng)使用了更高的供電電壓時更是如此。圖3中的電路就防止了主電源的供應(yīng)中斷影響到輸出。當(dāng)輸入電壓降到電容器電壓值以下時,二極管D阻止了后備電容Cs的反向放電。圖4給出了當(dāng)電源中斷時電壓隨時間的變化關(guān)系。UE是儲備電容器的電壓值,UV是供電電壓值,UEmin1是允許的最小輸出電壓,UEmin2是允許的最小內(nèi)部總線電壓。如果輸出電壓是由內(nèi)部總線電壓經(jīng)過升壓轉(zhuǎn)換器得到的,那么后備電容的放電就可以更徹底。這樣更小的后備電容就可以用來處理更大的供電中斷。

結(jié)論：

RECOM的R78系列轉(zhuǎn)換器不僅有高元件密度(8.5 W/cm3)、體積小(0.9cm3)以及價格優(yōu)惠等優(yōu)點(diǎn),還有前面列出的高技術(shù)優(yōu)勢。不過,在比較其不同的解決方案時,對整個系統(tǒng)的總成本和總的空間要求也常常需要進(jìn)行比較。

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