電源開(kāi)發(fā)通常是一個(gè)艱難的過(guò)程。無(wú)論是用于交流電設(shè)備還是便攜式設(shè)備，用戶都期望電源達(dá)到很高的效率，同時(shí)盡可能保持小巧緊湊。成本也是一個(gè)重要因素，另外電源還必須是安全可靠的，這一點(diǎn)不言自明。

Recom 的總部位于奧地利格蒙登，作為一家非常成功的歐洲 AC/DC 電源和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器制造商，該公司必然要面臨并克服這些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。在最近的一個(gè)項(xiàng)目中，Recom 希望開(kāi)發(fā)一款電源，適用于醫(yī)療和其他應(yīng)用。他們的目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)解決方案，將公司以往產(chǎn)品型號(hào)的功率密度提高一倍，而不影響安全性、可靠性、效率和性能。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)必須采用最新的開(kāi)關(guān)控制器、拓?fù)浜?a target="_blank">元器件，因而他們向 Nexperia（安世半導(dǎo)體）尋找?guī)椭?/p>

嚴(yán)格醫(yī)療要求設(shè)定基準(zhǔn)

新的 Recom RACM1200-V 電源必須滿足 IEC60601-1 的嚴(yán)格要求，包括一系列的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，旨在確保醫(yī)療電氣設(shè)備的安全性和性能。這些要求包括在 PCB 上提供適當(dāng)?shù)呐离娋嚯x和電氣間隙，從而確保安全性，同時(shí)將功耗保持在最低水平。

產(chǎn)品參數(shù)指定 AC/DC 電源必須提供 1.2 kW 的峰值輸出功率。除了主輸出之外，還必須有兩個(gè)輔助輸出：12 V/1 A 電源為可選冷卻風(fēng)扇供電；始終開(kāi)啟的 5 V/1 A 輸出用于控制和監(jiān)控用途。

為了盡可能降低待機(jī)功耗，即便在主輸出關(guān)閉時(shí)，整體效率也必須維持很高的水平。這意味著電源必須保持高效，無(wú)論是在1.2 kW峰值負(fù)載下，還是在活動(dòng)待機(jī)狀態(tài)下提供 5 W 或更低功率時(shí)，在單個(gè)器件中滿足這一系列要求是非常困難的。

△圖2：Recom的RACM1200-V AC/DC轉(zhuǎn)換器框圖

除了面向醫(yī)療用途之外，電源還必須適用于工業(yè)、樓宇自動(dòng)化、IT 和家用電器部署。就外形尺寸而言，電源必須緊湊小巧，適合安裝在標(biāo)準(zhǔn) 19 英寸機(jī)架內(nèi)部。

Trench肖特基二極管應(yīng)用

在電源設(shè)計(jì)中，最具挑戰(zhàn)性的部分是始終開(kāi)啟的 5 V 輸出，因?yàn)樗馕吨O(shè)計(jì)人員需要使用單獨(dú)的 AC/DC 電源，而這個(gè)電源會(huì)占用寶貴的空間。由于設(shè)計(jì)必須保持緊湊尺寸，因而放置這個(gè)額外電路的唯一選擇是在靠近主輸出器件的位置，但在傳送輸出電流時(shí)，主輸出器件會(huì)發(fā)熱。這意味著過(guò)熱是一個(gè)很大的風(fēng)險(xiǎn)，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須非常小心謹(jǐn)慎。

最初，Recom 試圖為 DC/DC 和 AC/DC 輔助電源轉(zhuǎn)換器安裝平面肖特基整流二極管，但過(guò)熱仍舊是一大難題（特別是在全負(fù)載條件下）。

為了解決這個(gè)難題，Recom 選擇采用 Nexperia（安世半導(dǎo)體）提供的 Trench 肖特基二極管。Trench 肖特基二極管是在肖特基二極管的原始概念基礎(chǔ)之上發(fā)展而來(lái)的。Trench 概念旨在減少漏電流，從而提高熱穩(wěn)定性。與平面肖特基二極管相比，Trench 肖特基二極管可以提高開(kāi)關(guān)性能。

Nexperia（安世半導(dǎo)體）的 PMEG100T20ELR 器件目前已用于 RACM1200-V 的降壓轉(zhuǎn)換器，提供 12 W 風(fēng)扇輸出（參見(jiàn)圖2）。這款 Trench 肖特基二極管采用小型扁平表貼封裝，能夠處理最高 2 A 的正向電流，最大反向電壓為 100 V。此外，它還具有很低的漏電流。

△圖3：RACM1200-V的高密度PCB采用PMEG100T20ELR

具有低反向恢復(fù)電荷和高效率

PMEG100T20ELR 還具有很低的正向壓降。在室溫下，正向壓降通常為 705 mV，最大值僅為 800 mV（在 125℃溫度下，典型值為 590 mV，最大值為 660 mV）。它具有很低的反向恢復(fù)電荷（Qrr），通常僅為 8.5 nC。事實(shí)證明，這些特性至關(guān)重要，可以盡可能減少轉(zhuǎn)換器的每個(gè)開(kāi)關(guān)周期的整流二極管損耗（請(qǐng)參見(jiàn)圖4）。

△圖4：Trench肖特基整流二極管提供行業(yè)領(lǐng)先的開(kāi)關(guān)特性和低Qrr值

此外，他們選擇的 Trench 肖特基二級(jí)管具有很低的反向漏電流，典型值僅為 60 nA（在60 V 的反向電壓下）。從 DC/DC 轉(zhuǎn)換的視角看來(lái)，這種特性非常重要，由于開(kāi)關(guān) MOSFET 的高占空比，輸入/輸出電壓比率很低，因?yàn)槎O管處于關(guān)斷狀態(tài)的時(shí)間更長(zhǎng)。如果沒(méi)有這種器件，Recom 必須更改某些電源規(guī)格數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

圖 5 顯示了 Trench 和平面肖特基二極管的整體效率。該圖表明，在更高的開(kāi)關(guān)頻率下，使用 Trench 二極管的優(yōu)勢(shì)會(huì)增加。

△圖5：Trench和平面肖特基二極管的效率比較

無(wú)論器件如何高效，它總會(huì)散發(fā)一些熱量，因而 Recom 工程師在如何冷卻器件的問(wèn)題上想了很多辦法。Nexperia（安世半導(dǎo)體）的Trench肖特基二極管使用銅夾片式 FlatPower(CFP) 技術(shù)，改進(jìn)從封裝到電路板的熱量傳導(dǎo)。它可以提供小巧、纖薄且輕便的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的散熱性能。

提供寬廣的 SOA，改進(jìn)熱穩(wěn)定性

利用 Nexperia（安世半導(dǎo)體）的 CFP 技術(shù)，Recom 能夠設(shè)計(jì)具有低熱阻抗路徑的 PCB，能夠散發(fā)產(chǎn)生的熱量，而無(wú)需為功率二極管使用導(dǎo)熱墊片或其他散熱器。

Trench肖特基配置還意味著二極管的熱穩(wěn)定性得以改進(jìn)，具有寬廣的安全工作區(qū)（SOA），如圖 6 所示。這樣可以降低在整流器中出現(xiàn)熱失（找元器件現(xiàn)貨上唯樣商城）控的機(jī)率。因此，Recom 工程師能夠設(shè)計(jì)電源，在 50℃ 的環(huán)境溫度下，提供完整輔助電源和 800 W 主電源，而無(wú)需強(qiáng)制風(fēng)冷。

△圖6：Trench肖特基二極管的設(shè)計(jì)提供寬廣的SOA

為了讓設(shè)計(jì)的電源能夠安裝到標(biāo)準(zhǔn) 19 英寸機(jī)架中，最大高度必須在 40 毫米以下。Nexperia（安世半導(dǎo)體）的 Trench 肖特基二極管的外形尺寸非常小，需要占用的空間僅為大多數(shù)競(jìng)爭(zhēng)器件的一半。這為 Recom 提供了更多靈活性，可以騰出電路板上的更多空間放置其他器件。

△圖7：Nexperia的Trench肖特基二極管采用CFP封裝，需要的PCB空間 僅為替代解決方案的一半

Recom 電源設(shè)計(jì)總共采用了 Nexperia（安世半導(dǎo)體）的超過(guò) 70 種產(chǎn)品，大多數(shù)是二極管、晶體管和邏輯器件，另外還有三種 Trench 肖特基二極管（器件編號(hào)PMEG40T20ER）。項(xiàng)目期間，Nexperia（安世半導(dǎo)體）電源專家隨時(shí)為 Recom 提供支持，提出技術(shù)建議，幫助 Recom 工程師優(yōu)化設(shè)計(jì)，選擇合適的器件。

電源提供高功率密度，無(wú)需使用風(fēng)扇

通過(guò)與 Nexperia（安世半導(dǎo)體）就此項(xiàng)目展開(kāi)合作，Recom 能夠推出高效的基板冷卻式電源，其尺寸僅為 228 x 96.2 x 40 毫米。RACM1200-V 目前已經(jīng)上市銷(xiāo)售，能夠提供1 kW的連續(xù)功率輸出，基板溫度保持在80℃。它還可持續(xù) 10 秒提供高達(dá) 1.2 kW 的峰值輸出，或在有氣流的情況下連續(xù)輸出。它通常能夠達(dá)到95 %的峰值效率。除了廣泛的可編程功能之外，這款電源提供高功率密度，無(wú)需使用風(fēng)扇，因而非常適合在各種高可用性應(yīng)用中使用。為了滿足這種產(chǎn)品的所有預(yù)期設(shè)計(jì)規(guī)范，Recom 發(fā)現(xiàn) Trench 肖特基二極管是首選方案。它們提供良好的效率、開(kāi)關(guān)性能和熱穩(wěn)定性組合，采用節(jié)省空間的緊湊封裝。

審核編輯：劉清