RECOM R-78XX系列低功耗电源转换器应用指南

以前,低功率稳压通常使用线性稳压器,只要输入和输出电压之间的压差不是太大,他们相对低的效率还是可接受的。但是,如果输入电压不稳定,那么输入电压和输出电压差值可能会比较大,这会导致更大的内部损耗,更低的效率以及更高的工作温度。现在,Recom的R-78xx系列给出了一个从根本上解决问题的答案,在许多应用中与传统的线性稳压器相比非隔离DC/DC变换器R-78xx系列有很多的优点。

R-78xx系列按不同的使用特性分成多个小系列,所有SMD和SIP系列的工作环境温度都达到85℃,输入电压范围为4.5-34 V。

1.R-78xx-0.5系列的3个引脚的SIP封装:

其引脚排列和间距与78xx线性稳压器一致,它的元件密度极高,能提供高效率(最大97%)的最大输出电流为500mA的输出。它的输出电压覆盖通用标准的1.5v-15v,其外部尺寸仅为11.5 x 7.6 x 10.2 mm,因此可以被用作直接降压来替换传统的78xx线性稳压器,并且因为效率的提高,R-78xx-0.5系列可省掉78xx所需的散热片和放置散热片的PCB板空间。

2.R-78xx-0.5的SMT（表面贴片技术）版本:

提供输入和输出电压与SIP（单列直插式封装）版本一样,但附加了一个ON/OFF引脚,使得稳压器可以工作在待机模式,待机电流一般值为20μA(最大值为35μA ),这使其在电池供电等对功耗要求非常严格的应用中具有许多优势。另外,其输出电压可调,使许多高规格电源供应器的设计得以简化。SMD（表面贴片器件）的封装为高9mm的10-pin双列封装。

R-78xx-1.0系列成员也分成我们上面提到的两种封装形式,即SIP和SMD,它提供的输出电流为1000mA。且其物理尺寸和工作环境温度范围与R-78xx-0.5的SIP和SMD系列一致,但输入最大电压降为18V,输出电压限制最大值为5V。

当能量来源于手边的各类蓄电池、由 UltraCaps（制动能量存储器采用的一种最新的高效电容器技术）或者能源可转换系统提供的汽车电池的时候,输入电压会高度的变化。由于R-78xx 系列能提供极宽输入电压范围,因此很多革命性的新应用随之出现了。以下就是其中的一些例子：

（在下面的应用中,为使线路更加简洁,省略了退偶电容）

图1：具有低纹波和低噪声的稳压器

图1所示的应用是输出非常低纹波和高效率的线路,两类特性良好的稳压器用得恰到好处。首先,输出可调的稳压器R-78A5.0-0.5SMD高效地降低了输入电压Ue,使得其仅高于LDO线性稳压器输出要求的稳定电压Ua所需的最小电压。其次,LDO输出0.5 A电流要求的典型输入输出压差为150-300 mV,R1和R2用来设置所需的输出电压值。R-78A5.0-0.5SMD的低噪音输出使得LDO能够快速稳压,并把纹波控制在20mVp-p。这个线路非常适合于敏感的传感器或摸数转换/数模转换应用。即使算上通过LDO到地漏掉的电流,这个线路仍然具有86%的整体效率。

图2：逆向IBA（内部总线结构）

一个类似于图2的大家所熟悉的用于大功率电源的线路便是“内部总线结构”,简称为IBA。IBA拓扑结构用隔离变换器把主供应电压降为内部总线电压,然后,利用多个非隔离负载点（ni POL）转换器再次作 dc/dc 转换,直至最终所需的电路电压。这个原理显著的提高效率及降低整体成本。 [p]

在这里的应用中,除了降低成本,不同的技术要求同样是关注的焦点。图2所示的线路适用于小功率电源供应并且提供一个最理想的解决方案。这个线路中,非隔离的DC/DC变换器R-785.0-yy把一个高变化的输入电压转换为准确稳定的5V总线电压,因此其后的隔离DC/DC变换器可以得到高度稳定的输入电压,从而即使没有再经过调制类也能输出紧容差电压。这种串联方式的DC/DC变换器的整体效率仍能达到75%,高于成本高很多的一体化（all-in-one）解决方案,并且节约了印刷板空间。选择逆向流电分离主要是出于成本考虑。原始的IBA布局因为系统只用了一个隔离器而节约成本,同时整体效率得到提高,而逆向IBA的成本优势在于使用了实用的,应用面广并且低价格的低功率隔离DC/DC变换器。

模块解决方案进一步的优势是用户可通过将任意的输出电压进行任意组合以满足设计者的供应要求。宽输入电压特性在多供应源和需要备用电池消除供电中断的系统中非常有用。考虑到电池供电系统或是类似的能量存储系统的要求,可以再次参考图2。当储存的能量释放,输出电压往往会下降;而充电过程中输出电压上升。上述的转换器可以在充电和放电全过程中保持输出正常。内部总线电压越低,在输出异常之前要求单次能量释放就越多,值得强调的是如果选择非常低的总线电压,则其后的变换器的效率也会相对降低。

Fig 3: Energy Storage Circuit

Fig 4: Voltage vs Time Graph

在暂时性供电中断需要被考虑的应用中,往往会使用辅助能量储备器,即后备电容。这里用到了与前面电池供电应用类似的观点。后备电容容量越小,单次释放能量时电压就下降的越大,这样一来对板面空间的要求就减小很多,尤其当使用了更高的供电电压时更是如此。图3中的电路就防止了主电源的供应中断影响到输出。当输入电压降到电容器电压值以下时,二极管D阻止了后备电容Cs的反向放电。图4给出了当电源中断时电压随时间的变化关系。UE是储备电容器的电压值,UV是供电电压值,UEmin1是允许的最小输出电压,UEmin2是允许的最小内部总线电压。如果输出电压是由内部总线电压经过升压转换器得到的,那么后备电容的放电就可以更彻底。这样更小的后备电容就可以用来处理更大的供电中断。

结论：

RECOM的R78系列转换器不仅有高元件密度(8.5 W/cm3)、体积小(0.9cm3)以及价格优惠等优点,还有前面列出的高技术优势。不过,在比较其不同的解决方案时,对整个系统的总成本和总的空间要求也常常需要进行比较。

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