【導讀】隨著各種電子產品朝向小型化發展，傳統的功率轉換模塊也需要縮小體積、提高效率，來滿足日益嚴苛的系統需求。新型的電荷泵架構將會是實現薄型化和高效率功率轉換模塊的關鍵。本文將為您介紹電荷泵架構的特性，以及由村田制作所（Murata）推出的新型功率轉換解決方案的產品優勢。
可以實現薄型化和高效率的電荷泵架構
電荷泵是一種利用電容器儲存能量的DCDC轉換器，可以產生雙倍電壓、半電壓和反相電壓等。它由開關器件和電容器組成，電荷泵是開環控制的，輸出電壓具有下降特性，將隨著負載電流的增加而下降。此外，電荷泵不需要電感器，一般來說，磁性組件往往是最高的組件，并且在DCDC轉換器中占據較大的PCB面積。另一方面，通過電荷泵可以實現小而薄的DCDC轉換器。
由于電荷泵是一種向輸出電容器（COUT）離散供電的拓撲，因此需要一段時間將功率從COUT輸送到輸出負載。如此一來，輸出紋波電壓將會增加。為了解決這個問題，需要安裝許多電容器或大電容，這將導致解決方案尺寸增加。另外，在對已放電的電容器進行充電期間，電容器上會產生瞬態電流，從而使組件受到該瞬態電流的應力。此外，電荷重新分配損耗（電荷泵特有的與電容器之間的電荷傳輸相關的損耗）會導致效率降低。因此，電荷泵尚未應用于極低功耗產品。
一般使用的降壓轉換器是由輸入和輸出電容器、高側MOSFET、低側MOSFET和電感器組成。它是電力電子電路，可將直流輸入轉換為輸出的可變直流。通過調整MOSFET的導通時間，可以將其轉換為輸出電壓。導通時間由反饋電路決定，以維持輸出電壓。即使輸入電壓或輸出電流發生變化，閉合反饋環路也能保持輸出電壓恒定。
在架構上，電荷泵與傳統電感降壓轉換器的行為有所不同。電荷泵是一個N分頻電容電壓轉換器，電壓轉換比取決于每個產品。它是一種開環轉換器，不具有輸出調節能力。因此，輸出電壓將隨著負載電流的增加而降低。
電感電流由電壓、MOSFET的導通時間和電感決定，為了降低紋波電流，需要增加電感或開關頻率，因此需要增加電感的匝數或增加磁芯截面積以獲得更高的電感量。在傳統電感降壓轉換器中，DCR（直流電阻）會因匝數增加而增加，將導致傳導損耗增加。當使用厚繞組來減少損耗時，就需要繞組空間。因此，將需要一個大的磁芯。由于磁芯體積較大，因此很難減小大電流降壓轉換器的電感。當開關頻率設置為較高頻率時，會導致MOSFET的開關損耗增大，從而導致效率下降。由于電感器的限制，要實現更小尺寸、薄型化和高效率將變得更加困難。
另一方面，電荷泵則通過電容器供電。在使用電感器或變壓器進行電壓轉換的電路拓撲中，磁性組件往往成為薄型產品的瓶頸。如上所述，使用薄型磁性組件會導致效率降低。電荷泵可以實現薄型化和高效率，原因是電容器的功率密度比電感器的功率密度更高。因此，利用電荷泵可以實現高功率密度的電源。
電荷泵是一種可以實現小尺寸和高效率的電壓轉換方案，特別是在需要薄型的應用中。雖然它的缺點是負載調節比降壓轉換器差，但它適合在中間總線系統中作為第一級轉換器，輸出電壓則由第二級轉換器的負載點（PoL）調節。
采用電荷泵架構的小尺寸和高效率電壓轉換方案
Murata推出了MYC0409-NA這款采用電荷泵架構的產品，該模塊是針對電荷泵的缺點（例如在器件上的輸出紋波增加、PCB尺寸較大、瞬態應力等），使用自己的技術來進行設計的產品。
MYC0409-NA從輸入電壓到輸出電壓是固定的四分頻轉換比，它可以從48V轉換到大約12V。該模塊對于48V系統和54V系統穩定產生中間總線電壓。由于該產品采用Murata專有的電荷泵技術，因此在2.1mm高度內具有高效率和高功率密度。Murata的技術不需要使用更高或更重的部件，因此，它可以安裝在PCB板的背面。
Murata的電荷泵使用小型電感器，電感連接在電荷泵后面，可以通過LC濾波器降低輸出紋波電壓。由于與降壓轉換器相比，電感器兩端的電壓幅度非常小，因此不需要高電感。由于匝數少，電感也低，可以采用DCR小的電感，這導致傳導損耗減少。雖然平均輸入電流隨轉換率成比例下降，但瞬時輸入電流等于通過降壓轉換器的輸出電流，并由輸入電容器平滑。
此外，Murata的UltraCP?采用了兩相配置，占空比固定為50%，輸入電流在每個周期輸送功率，因此不會引起輸入電容的瞬態電流變化。輸入電容器中流動的紋波電流相當于電感電流的1/N（電壓轉換比）。因此，可以使用較少的電容器來實現低輸入紋波電壓。
以在小基站系統中應用UltraCP?系列為例，MYC0409-NA安裝在AC/DC轉換器或DC/DC隔離轉換器之后，從48V線路產生12V。通過采用UltraCP?系列，可以實現高效、小型的系統。
超高效率的非隔離DC-DC轉換器模塊
Murata的UltraCP? MYC0409是一款非隔離DC-DC轉換器模塊，具有超高效率。MYC0409是一款48伏除以4電荷泵電容分壓器全集成模塊，能夠提供高達72W的功率，峰值效率為96.5%。
MYC0409-NA是一款超薄高效集成電源解決方案，將72W DC-DC轉換器與組件相結合，PCB背面占用空間最小，擁有小于2.0mm的超薄外形。該整體電源解決方案可用于無需環路補償，且在最少情況下僅需要三個外部組件的系統。
盡管采用小而薄的11.5 x 9.5 x 2.0mm LGA封裝，但這款完全集成的模塊仍可提供高達96.5%的效率，在48VIN/6A時效率高達95.0%。Murata易于使用的模塊引腳排列設計，可實現簡單的電源布局，并通過最小化布線寄生電阻來實現效率最大化。該模塊具有固定的輸入電壓到輸出電壓的4分頻轉換比，輸入電壓范圍為20V至60V，支持48V總線系統，具有高功率密度（5.4kW/inch3）、優異的熱性能、低紋波、低電磁干擾，并可在-40至+105℃的溫度范圍工作。
MYC0409模塊的峰值效率比1/16磚型70W的電源要好上2.5%，在48VIN、6A輸出、無風散熱時，溫度上升也更低（相比低50℃），輸出紋波也低上75%，輻射電磁干擾亦低上20dB，單一MYC0409模塊可節省超過80%的尺寸與75%的高度，在與1/16磚型200W的電源比較時，三個并聯的MYC0409模塊則可節省超過35%的尺寸與75%的高度。MYC0409可以靈活使用，Murata可以提供符合DOSA標準的封裝給到行業的客戶。
MYC0409模塊可并聯連接，最多可并聯4個模塊，以提供高功率、高效率的解決方案，具有良好的開漏電源輸出、過流和過溫保護，采用補償無環路電荷泵，可與外部時鐘同步，適用于各種48V至12V降壓轉換應用，如數據中心／服務器、網絡路由器、基站、光學設備、測試設備與LED指示牌。
Murata也推出MYBSN-P2評估模塊，將可加快客戶的產品開發速度。MYBSN-P2是一款采用MYC0409的1/16磚型高效非隔離DC-DC轉換器模塊，只需施加輸入電壓，然后MYBSN-P2便可開始在其輸出上產生分壓。MYBSN-P2的分頻比為四（VOUT=VIN/4），具有寬輸入電壓20至60V（除以四），效率高達96.3%，48VIN/10A時效率則高達95.0%，可支持高達10A的輸出。
緊湊、薄型、高效率的降壓DC-DC轉換器解決方案
Murata的FlexiBK? PE24108功率半導體，則是一款緊湊、薄型、高效率的降壓DC-DC轉換器解決方案，能夠在3.0V至3.6V的輸入電壓范圍內提供每級10A的輸出電流，支持標稱3.3V總線電源運行輸出電壓，通過外部反饋電阻選擇，可在0.4至1.0V之間調節，擁有92%峰值效率，對于所有線路和負載變化，輸出電壓調節精度優于±1%。
PE24108采用創新的兩級架構設計，由一個兩相交錯式電荷泵和一個交錯式降壓穩壓器組成，實現了極低的高度和緊湊的占板面積，該電源系統大大減少了小尺寸和高度受限應用中高效解決方案對電感的依賴。
PE24108的每相能夠提供10A電流，最多可并聯4相以支持40A，并可通過外部AVS DAC進行調整，外部同步引腳允許與外部時鐘同步。PE24108超高效率和低紋波性能適用于空間受限和對噪聲敏感的應用，典型應用包括薄型負載點（POL）穩壓器、光模塊中的DSP/ASIC或網絡設備中的FPGA核心電源供電等。
結語
傳統的功率轉換模塊，通常是系統中最占空間的部分，如果能夠縮小功率轉換模塊的體積并提高轉換效率，將能夠大幅縮小系統的體積，提升系統的穩定性并降低功耗。由Murata推出的新型電荷泵架構UltraCP? MYC0409 DC-DC轉換器模塊與創新兩級架構設計的FlexiBK? PE24108功率半導體，將會是縮小功率轉換模塊體積與提升效率的理想解決方案。
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