重塑负载点电源转换

如果你问任何一个系统架构师：“你最大的问题是什么？”可能得到的答案是，为系统供电的器件占据了 30-50% 的电路板空间，更不用说需要增加的滤波和电磁干扰 (EMI) 抑制组件了。在从消费应用到数据中心和网络产品大多数电子系统中，电源仍然是缩减产品尺寸和高度的主要限制因素之一。

图 1.Murata 的两级降压架构包括一个充电泵，后接一个降压开关稳压器。（图片来源：Murata）

传统上，系统架构师依靠降压负载点 (POL) 转换器从总线电源轨（如 12V）将电流降压，为系统负载供电，如内核和应用处理器、系统 ASIC 和存储器。几十年来，降压转换一直为该行业提供良好的服务，并得到了改进和提高，形成了稳健和具有成本效益的解决方案。但是，为了在功率密度方面取得真正的进步，系统架构师需要考虑的不仅仅是迭代改进。为此，Murata 推出了一种两级 POL 转换器，它由一个充电泵和一个降压开关稳压器组成，如图 1 所示。

对于许多人来说，两级架构提供效率改进的想法似乎有悖常理，因为总效率是各个级效率的乘积。然而，由于创新的开关电容技术，充电泵几无效率损失，导致第一转换阶段的效率非常高。

考虑到图 1 所示的 12 Vin 到 1 Vout 的典型例子，充电泵使用电容器将输入电压降了 3 倍，从 12V 转为 4V。现在第二级降压电感器在最终转换中要做的工作就很少了，只需从 4 V 转换到 1 V。电容器的使用是一个关键点，因为与电感器相比，电容器的能量密度大约是其 400 倍。依靠电容存储的解决方案本身将导致更高的功率密度。现在，第二级降压稳压器从 4 V 的低输入电压运行，而不是完全的 12 Vin。这允许降压级使用低电压、高效率的场效应晶体管 (FET)，并组合一个小的输出电感器即可，从而打造出一个高效率的降压稳压器，能够在非常高的频率下运行，具有快速的瞬态响应。

图 2 将传统的单级降压与两级降压结构进行了仔细比较。

图 2.传统的单级降压转换器与 Murata 两级降压转换器的比较。（图片来源：Murata）

考虑到图 2 中更传统的单级降压方法，需要将 12 Vin 直接转换到 1 Vout。Vx 节点（场效应管的中点）从地电位摆动到 Vin，加上储存在漏电感和寄生电感中的能量尖峰。这种方法意味着需要电压更高的 FET，并且由于快速的电压变化和瞬时振荡，EMI 可能成为一个问题。电感器做了所有的工作，并且是一个相对较高的值，这对效率和瞬态响应有负面影响。此外，在 12:1 V 方案下，高压侧 FET 只有 1/12^th 的时间在导通。这导致输入端出现非常高的脉冲电流，需要额外的去耦电路以减少对传导 EMI 的影响。这种较低占空比操作也限制了以较高开关频率运行的能力。

我们将这种方法与图 2 中的 Murata 两级实施方案进行对比。充电泵将电压以整数级递减（在这个例子中，从 12V 到 8V 再到 4V），这样每一级只看到 4 V，因此可以利用低电压、高效率的 FET 技术。降压稳压器将执行最后一步 4:1 V 转换。大部分工作已经由第一级电容充电泵完成。这种结构允许减小第二级电感器，这反过来又实现了紧凑、扁平的设计，可以在高频率下运行，具有出色的瞬态响应。

第一级充电泵实现了 50% 占空比的双相失相运行。第二级降压以接近 25% 的占空比运行，从而减少了输入电流和脉动电流。这两个因素结合在一起，使转换器的输入纹波和 EMI 曲线降到最低。总之，Murata 的两级架构在效率、尺寸和外形以及 EMI 方面都有改进。

如需了解更多信息，请观看 Murata 的网络研讨会录播视频：“Murata 如何改变功率密度模式”。