【導讀】低功率板載 DC/DC 轉換器的製造技術


，發展得比其他電子產品來得緩慢且獨立。幾十年來

，典型的轉換器一直是通孔封裝的模塊或開放式表麵貼裝的「子板」，雖然新產品持續推出
，但引腳布局和外形尺寸從 1980 年代開始就沒有改變。但在其他地方例如接口、A/D 和 D/A 轉換器等其他功能塊不斷從分立式解決方案發展成更小的「芯片」，高度隻有幾分之一毫米、占地麵積僅比內部裸片大一點
，現在裸片在幾何空間上的走線能達到納米級別。

為什麼DC/DC沒有跟上小型化趨勢？

DC/DC 隻zhi是shi有you源yuan和he無wu源yuan組zu件jian集ji合he在zai一yi起qi，那na為wei什shen麼me它ta們men沒mei有you成cheng為wei另ling一yi個ge集ji成cheng電dian路lu然ran後hou以yi相xiang同tong的de方fang式shi縮suo小xiao呢ne？一yi個ge原yuan因yin是shi它ta們men運yun作zuo時shi功gong耗hao通tong常chang很hen高gao，需xu要yao一yi些xie表biao麵mian積ji散san熱re，但dan隨sui著zhe新xin轉zhuan換huan技ji術shu的de效xiao率lv提ti高gao這zhe已yi不bu再zai是shi問wen題ti。主zhu要yao原yuan因yin是shi大da多duo數shu轉zhuan換huan器qi所suo需xu的de磁ci性xing組zu件jian，在zai幾ji十shi年nian來lai一yi直zhi堅jian持chi使shi用yong相xiang同tong的de製zhi造zao技ji術shu和he擁yong有you大da致zhi相xiang同tong的de尺chi寸cun。相xiang較jiao之zhi下xia
，台tai積ji電dian (TSMC) 在1988 年提供的IC 幾何尺寸為 3µm
，而如今的尺寸比當時縮小了一千倍達到3nm。在同一時期，利用置件機的分立式表麵貼裝無源組件的尺寸也從 1206 縮小到 01005，占地麵積減少了 50 多倍。相反的是自 80 年代以來
，DC/DC zhuanhuanqibianyaqiheeliuquandecixinchicunjihumeiyoubianhua，zheshiyoucailiaoguyoudezuidacitongmiduhekaiguanpinlvjueding，ranhoujuedinglezuixiaoraozuzashu。zheshijidaidianyuangongchengshidegongxian
，xindezhuanhuantuopu
、更好的組件和先進的熱設計降低了損耗並提高了功率密度。這讓 DC/DC 模塊有更高的輸出功率

，以未穩壓的 SIP7 轉換器為例，輸出功率可能僅提高了 3 倍（圖 1）。

圖 1：這幾十年來低功率 DC/DC 轉換器的功率密度僅提高了幾倍。左邊為1W，右邊3W
，皆為 SIP7封裝。

優化磁芯的選擇

我們一直都有增加開關頻率來縮小功率轉換磁體的選擇，通常會是藉由降低磁芯尺寸
、繞(rao)組(zu)匝(za)數(shu)或(huo)兩(liang)個(ge)都(dou)采(cai)用(yong)的(de)方(fang)式(shi)達(da)到(dao)。然(ran)而(er)隨(sui)著(zhe)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)的(de)提(ti)升(sheng)會(hui)導(dao)致(zhi)半(ban)導(dao)體(ti)效(xiao)率(lv)下(xia)降(jiang)和(he)磁(ci)芯(xin)損(sun)耗(hao)增(zeng)加(jia)，因(yin)此(ci)在(zai)不(bu)升(sheng)高(gao)內(nei)部(bu)溫(wen)度(du)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)整(zheng)體(ti)外(wai)殼(ke)尺(chi)寸(cun)不(bu)一(yi)定(ding)會(hui)縮(suo)小(xiao)。解(jie)決(jue)方(fang)法(fa)是(shi)設(she)計(ji)更(geng)加(jia)複(fu)雜(za)的(de)轉(zhuan)換(huan)器(qi)取(qu)得(de)高(gao)效(xiao)率(lv)，但(dan)這(zhe)個(ge)方(fang)式(shi)過(guo)於(yu)昂(ang)貴(gui)。

zhuanhuanqicixingbujiandezhizaochengbentongchangxiangduigaoangyejiaonananzhuang，faladisuoshuxidezuzhuangjishuzhijinjihumeiyoutaiduobianhua，yejiushizaicixinshangchanraojueyuanxianranhoujiang「飛線」焊接在基板上（圖 2）。絕(jue)緣(yuan)骨(gu)架(jia)通(tong)常(chang)占(zhan)用(yong)太(tai)多(duo)空(kong)間(jian)
，而(er)印(yin)刷(shua)繞(rao)組(zu)技(ji)術(shu)也(ye)不(bu)切(qie)實(shi)際(ji)因(yin)為(wei)考(kao)慮(lv)到(dao)所(suo)需(xu)的(de)繞(rao)組(zu)匝(za)數(shu)和(he)數(shu)量(liang)再(zai)加(jia)上(shang)多(duo)層(ceng)基(ji)板(ban)的(de)成(cheng)本(ben)太(tai)高(gao)，至(zhi)少(shao)對(dui)低(di)功(gong)率(lv)產(chan)品(pin)而(er)言(yan)是(shi)如(ru)此(ci)。

圖 2：低功率 DC/DC 轉換器應用和端接變壓器的傳統做法。絕緣線徑為0.18mm
，磁芯外徑6mm，內徑3mm

製造商選擇簡單設計以降低零件成本

大多數低功率 DC/DC 轉換器製造商采取的方法是盡量設計簡單的電路和降低成本，例如使用傳統的「Royer電路」（圖 3）。節省下來的錢抵消了昂貴的人力成本，包括人工繞線和焊接到雙麵 PCB，之(zhi)後(hou)再(zai)進(jin)行(xing)密(mi)封(feng)或(huo)包(bao)覆(fu)成(cheng)型(xing)以(yi)保(bao)護(hu)易(yi)受(shou)損(sun)的(de)端(duan)子(zi)。電(dian)路(lu)和(he)裝(zhuang)配(pei)技(ji)術(shu)在(zai)這(zhe)些(xie)年(nian)來(lai)得(de)到(dao)了(le)改(gai)進(jin)，因(yin)此(ci)一(yi)個(ge)簡(jian)單(dan)的(de)非(fei)穩(wen)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)器(qi)可(ke)能(neng)隻(zhi)使(shi)用(yong)大(da)約(yue) 10 個分立組件
，穩壓轉換器則使用 15 個。變壓器和組裝模塊在低成本的地方製造
，最終產品相當高效，提供隔離、寬(kuan)工(gong)作(zuo)溫(wen)度(du)範(fan)圍(wei)，可(ke)在(zai)固(gu)定(ding)電(dian)平(ping)之(zhi)間(jian)進(jin)行(xing)相(xiang)當(dang)精(jing)確(que)的(de)電(dian)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)。人(ren)工(gong)組(zu)裝(zhuang)的(de)一(yi)個(ge)好(hao)處(chu)是(shi)比(bi)較(jiao)容(rong)易(yi)針(zhen)對(dui)不(bu)同(tong)的(de)輸(shu)入(ru)或(huo)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)和(he)額(e)定(ding)功(gong)率(lv)生(sheng)產(chan)出(chu)不(bu)同(tong)的(de)版(ban)本(ben)，隻(zhi)需(xu)操(cao)作(zuo)員(yuan)增(zeng)加(jia)或(huo)減(jian)少(shao)繞(rao)線(xian)圈(quan)數(shu)以(yi)達(da)指(zhi)定(ding)匝(za)數(shu)。

圖 3：「Royer電路」讓隔離式轉換器擁有最少的組件數

這種方法也有不可避免的缺點。人工組裝會讓樣品之間產生差異，而且難以為簡單電路提供全麵性的故障保護。如果沒有更複雜的電路、更高的成本和更大的外殼，那麼將隔離加強到安全認證級別是不切實際的。基本的 Royer 轉zhuan換huan器qi沒mei有you線xian性xing或huo負fu載zai穩wen壓ya，輸shu出chu電dian壓ya在zai負fu載zai很hen輕qing或huo無wu負fu載zai時shi顯xian著zhe上shang升sheng。除chu此ci之zhi外wai，雖sui然ran最zui終zhong客ke戶hu希xi望wang價jia格ge下xia降jiang
，但dan人ren力li成cheng本ben隻zhi會hui隨sui著zhe時shi間jian的de推tui移yi增zeng加jia，而er且qie人ren力li因yin素su甚shen至zhi不bu會hui隨sui著zhe產chan量liang的de增zeng加jia而er減jian少shao。與yu此ci同tong時shi，市shi場chang麵mian臨lin著zhe增zeng加jia功gong能neng和he效xiao率lv以yi及ji縮suo小xiao電dian源yuan轉zhuan換huan器qi尺chi寸cun以yi應ying對dui現xian代dai應ying用yong空kong間jian受shou限xian的de壓ya力li。

努力達到最好

電源設計人員有一個夢想來打破這個模式，就是將控製 IC 與各種功能結合在一起，包括高頻和高效運作、可選的有源調節和全麵保護，然後在變壓器多層基板上使用貼片式平麵磁芯和印刷繞組等技術。由於多了必要的支持組件，因此IC 解決方案和嵌入式變壓器的零件成本明顯比簡單的 Royer 電路來得高，但卻有了更靈活的自動化裝配和規模經濟
，滿足市場對更好性能和一致性的要求，功率密度也更高且成本保持不變。

RECOM就是利用這個方法，他們將這個尖端技術引進低功率 DC/DC 轉換器成為「K」係xi列lie。我wo們men將jiang巨ju額e資zi金jin投tou入ru在zai自zi動dong化hua生sheng產chan以yi大da幅fu降jiang低di人ren力li成cheng本ben，並bing使shi用yong大da量liang基ji板ban和he組zu件jian以yi將jiang零ling組zu件jian成cheng本ben降jiang至zhi最zui低di。同tong時shi，創chuang新xin的de設she計ji技ji術shu允yun許xu製zhi造zao過guo程cheng中zhong輕qing鬆song配pei置zhi產chan品pin以yi滿man足zu不bu同tong變bian體ti的de需xu求qiu。

以市場上的新品為例

一個采用新技術產品的例子是RECOM RKK 係列，集成了控製器和平麵變壓器以提高性能並實現全自動化組裝。該公司為了兼容性決定保留SIP7 封裝，並將該部件的額定功率定在 1W
，利用提高效率擴展工作溫度範圍，目前不降額時最高可達 105°C 。1W deedinggonglvshihehenduoyingyong
，tongchangshiweigelishitongxinjiekouhuogaocezhajiqudongqigongdian。gengkuandewendufanweikaipilegengguangkuodeshichang
，lirugaoguigegongyeheqicheye。yuzaoqichanpinxiangbi
，RKK 係列的差異和增強性能總結（圖 4）。隨著銷售價格降低，銷量顯著提高。雖然新產品未穩壓，但對輸入電壓變化有一定程度的補償，例如 +/-10% 的輸入電壓變化的輸出變化小於 +/-5%。另一個特點是部件不需要封裝
，這樣既可以減輕重量又可以降低成本。該係列有一個版本提供後置穩壓輸出能滿足高精度需求。

圖4：基本 Royer 和 RECOM RKK 係列 DC/DC 轉換器的差異和性能一覽表

新的進展

RECOM 的新技術理念也應用在非隔離 DC/DC轉換器，升級了廣受歡迎的 R-78 係列直接替代線性穩壓器。升級更名為 R-78K的穩壓器效率提高至 96%，輸入範圍擴展至 36V，不降額工作溫度達 90°C。

更多的 RECOM 產品將升級為「K版」

，以順應使用先進的電路和製造技術取代簡單的傳統設計的趨勢，還不會增加成本。請隨時關注我們的新產品「razor」動態信息，提早享受「尖端」科技帶來的優勢。

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