本文轉(zhuǎn)載自：Murata村田中國

近年來，5G和IoT市場的快速增長推高了數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的功率密度極限，在這種情況下，布線及印刷電路板中的銅損已達(dá)到不容忽視的水平。為了提高系統(tǒng)效率、降低I2R損耗以合理化功率密度、以及解決母線排和連接器的問題，下一代系統(tǒng)中開始從當(dāng)前的12V總線系統(tǒng)向48V架構(gòu)遷移。

從48V到12V的電壓轉(zhuǎn)換（下圖），挑戰(zhàn)在于不僅要保證高效率的同時，還能兼顧小尺寸和EMI性能，而且，要易于應(yīng)用設(shè)計(jì)！

與以電磁感應(yīng)為基本原理的傳統(tǒng)變壓不同，電荷泵利用開關(guān)電容充放電不同的連接方式，以非常簡單的電路就能實(shí)現(xiàn)DC/DC的升壓、降壓、負(fù)壓等變換器功能。因?yàn)椴恍枰獌纱未烹娹D(zhuǎn)換，電荷泵電源的能量效率比基于電感的開關(guān)電源變換器更高，尺寸更小，沒有電感和變壓器所帶的磁場和EMI干擾；而且，尤其是在集成電路中，與電感、變壓器相比，電容更容易與芯片集成。

所以，基于電荷泵的PMIC被廣泛應(yīng)用到目前流行的48V架構(gòu)中。

然而，傳統(tǒng)的利用電容電荷交換為放電電容充電的容性功率轉(zhuǎn)換，會出現(xiàn)巨大損耗。如下圖所示，充電后由于電荷重新分布，兩個電容的能量總和會損失一半的能量。這就是所謂的電容再分布損耗，它的特點(diǎn)是即使在理想開關(guān)的情況下都有損耗，而且損耗和兩電容之間的開關(guān)的導(dǎo)通電阻無關(guān)！

上述損耗歸根到底是一種開關(guān)的導(dǎo)通損耗。如何減少這一導(dǎo)通損耗呢？答案在這里：

2017年，村田收購了MIT成立的新創(chuàng)企業(yè)Arctic Sand。Arctic Sand在開關(guān)電容技術(shù)及其創(chuàng)新拓?fù)浞矫鎿碛谐^125項(xiàng)專利。利用這些創(chuàng)新的專利技術(shù)，以及制程的垂直整合，村田制造出更小更薄的、具有優(yōu)秀的電磁兼容性能的、幾乎無損的電荷泵電源模塊。

基于村田的幾乎無損的“Adiabatic” 電荷泵，幾乎能夠完全消除電容的電荷再分布損耗，將電荷泵技術(shù)做成了各種實(shí)際可用的變壓元件（如下圖中方框內(nèi)的“功率半導(dǎo)體）。

村田電源：從AC到系統(tǒng)負(fù)載的功率轉(zhuǎn)換

村田電荷泵的優(yōu)勢

村田的電荷泵幾乎無損(98%)，可以和buck/boot 級組合起來使用

損耗與VIN幾乎無關(guān)

整個功率路徑全部使用低壓開關(guān)管–180nm CMOS

電荷泵尺寸固定，不再依賴于I2R

VIN增加= 電荷泵級數(shù)增加= 并聯(lián)到輸出的路徑數(shù)增加

電荷泵級數(shù)的增加，與電流的下降成正比

極大的降低了開關(guān)損耗，和輸入電壓無關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)：

更高的開關(guān)頻率

總電路更高的轉(zhuǎn)換效率，同時極大提高了輕載效率

能量存儲的重?fù)?dān)交給電容，使電感非常小巧(高占空比) =極小的電感

流水線架構(gòu)使功率路徑每級的電壓差很小：

降低浪涌電流

顯著降低輸入紋波

降低EMI

自推出以來，村田制作所的電荷泵系列備受業(yè)界青睞。2021年上半年，村田電荷泵系列的一款新產(chǎn)品——電荷泵電源管理芯片PE25204，在21ic電子網(wǎng)舉辦的“Top10 Power電源產(chǎn)品獎”評選活動中就獲得『綠色節(jié)能獎』殊榮（下圖）！

PE25204榮獲“Top10 Power”電源產(chǎn)品獎：楊寧(左)村田(中國)投資有限公司 電源產(chǎn)品專家

PE25204是一款支持48V輸入并內(nèi)置電場效應(yīng)晶體管（FET）的“FlexiCP?系列”4：1降壓式DC-DC電荷泵IC。在眾多電源管理產(chǎn)品中，為什么村田制作所的這款芯片能夠脫穎而出？什么技術(shù)創(chuàng)新讓PE25204做到『為低碳節(jié)能減排提供有利支持』？

PE25204-48VIN電荷泵IC電容分壓器降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器

上榜理由

PE25204，據(jù)媒體報道是世界首款帶有集成開關(guān)場效應(yīng)晶體管(FET)的48伏4：1電荷泵電容分壓式降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換控制IC。交錯式開關(guān)電容器架構(gòu)能夠以97%的峰值效率提供高達(dá)72瓦的功率，基于村田獨(dú)特的幾乎無損電荷泵技術(shù)，提供極低的輸入和輸出紋波以及出色的抗電磁干擾(EMI)性能。

該解決方案占板面積小，高度僅為 1.2mm，非常適合超薄應(yīng)用和放置在系統(tǒng)板的底部。PE25204 還可通過并聯(lián)提供高功率、高效率的解決方案，適用于各種48V至12V 降壓轉(zhuǎn)換應(yīng)用，如數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡(luò)路由器、基站和光學(xué)設(shè)備。PSiP 封裝格式 (11.5 x 9.5 x 2.1mm) 的電源模塊產(chǎn)品也即將發(fā)布。

主要特性

世界首款(據(jù)媒體報道)帶有集成開關(guān)場效應(yīng)晶體管(FET)的48伏4：1電荷泵電容器分壓器

交錯式開關(guān)電容器架構(gòu)能夠以97%的峰值效率提供高達(dá)72瓦的功率

村田獨(dú)特的幾乎無損電荷泵技術(shù)，提供極低的輸入和輸出紋波以及出色的電磁干擾(EMI)性能

體積優(yōu)化

審核編輯 黃宇