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DC-DC转换器的基本设计知识

2019-04-19 08:29
贸泽电子
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摘要

DC-DC转换器模块广泛用于消费类电子产品,但它们如何工作以及在选择转换器产品时最重要的标准是什么?本文我们将介绍DC-DC转换器,以帮助理解在创建小巧而可靠的高能效设计时所面临的一些技术挑战。我们还将解释选择DC-DC转换器时必须要考虑的一些关键数据表参数。

文章正文

当Allesandro Volta用铜和锌盘以及浸有盐水的纸板制成电池时,当时只是一个新奇的产品,而这种低功率直流电(DC)实际应用却很少。随着对于电力有了更深入的理解,人们发现旋转磁铁可以在电线中感应出交流电流(AC),随之而来就打开了发电的世界。 交流电适用于照明、加热和驱动电机,并且通过使用变压器,其电压可以升高和降低。

后来DC开始得到一些应用。与AC不同的是,DC的电荷可以存储在电池或电容器中。例如,曾经用这些储存的电荷为第一部电话供电,后来的电话设计才可以通过线路获取电力。如果您想要特定的直流电压,可以将电池串联起来。如果您确实需要高功率直流电,可以在其间使用具备机械传动装置的直流电动机-发电机组,从而可以产生不同的电压。

随着新电子产品的不断出现,需要不同的直流电平,例如真空管的150V,工程师们也开始考虑如何能够上下转换直流电压,DC-DC转换器的概念由此诞生。

当今的DC-DC转换器

当今的DC-DC转换器应用分为不同类别:隔离式和非隔离式,升压和降压型或兼而有之的升降压型。市场也可提供具备特定功率水平和功能的模块,其中许多已成为一般“商用”部件。

让我们首先定义“隔离”的含义:如果在输入和输出之间存在电气连接(通常是接地),则该部件是非隔离式。隔离部件有一个内部变压器,在输入和输出之间以磁性方式传递能量,因此输出可以相对于输入“浮动”(见图1)。我们稍后会考虑隔离等级。

DC-DC转换器的基本设计知识

图1:DC-DC转换器可以是隔离式或非隔离式。

非隔离式DC-DC转换器

最简单的非隔离式DC-DC转换器是一系列串联电阻器,但由于电压降会随着负载电流而变化,因此实际电路使用晶体管来降低电压,由反馈电路控制以保持该电压恒定。这是一种“线性”稳压器,通常采用三引脚TO-220封装供货。但问题是其中的电压只能降低而不能升高,并且器件本身也消耗大量功率,大小为输入和输出电压的差值乘以负载电流。解决上述问题的方案是“开关模式”稳压器,其晶体管完全开启或关闭,在两种情况下都消耗很少的功率,流经电感器和电容器后将电压脉冲传递到输出,之后脉冲被“平滑”回到DC,通过改变脉冲宽度来控制输出电压。开关模式稳压器与线性电路相比其效率有显著提升(图2),开关模式稳压器的一个很好特性是也可以配置为升高电压,成为“升压”转换器。当它只用于降低电压时,就是一个“降压”转换器。

DC-DC转换器的基本设计知识

图2:线性和开关模式损耗比较。

还有其他种类的稳压器,如可以产生负输出电压(降压升压)和可以产生高于或低于正输入电压输出的“SEPIC”电路。这在电池供电应用中非常有用,其中的负载电压在电池放电时需要保持恒定(图3)。

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图3:SEPIC转换器介绍。

在许多电路中,以最小尺寸实现最高效率是产品开发的关键考虑因素,对于DC-DC转换器至关重要。在增大开关模式转换器的脉冲频率时,可以使用较小体积的电感器和电容器。然而,另一个影响因素是晶体管在每个开关边缘都会耗散一些功率,每秒开关边缘(频率)越多,耗散的功率就越多。因此,效率和尺寸往往是对立的。磁学技术最近在这些方面几乎没有改进,但是最新的碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等宽带隙半导体技术可是使每个开关边缘的损耗更小,因此可以采用更高频率,体积更小的磁性元件。这项技术使非隔离式DC-DC转换器具有高于95%的效率,输出电流可达100A甚至更高。例如,德州仪器(TI)的PTH04040W额定电流为60A,其输出为0.8V~2.5V可调,输入电压为2.95V~5.5V,封装尺寸仅为51.94 x 26.54mm。

模块化升压转换器不太常见,这里的一个例子是来自GE Critical Power的ABXS002A3X41-SRZ,它能够将8~16V输入转换为16~34V输出,输出电流为2.3A,模块尺寸为27.9 x 11.4mm。

非隔离式DC-DC转换器通常被称为“负载点(PoL)”转换器,因为它们可以直接用于处理器或FPGA的典型负载上,以便使负载电压尽可能精确。最复杂的类型具有数字控制等许多特性,因此性能可以“运行中(on the fly)”调整,以适应负载条件变化,通常可使用标准协议(如PMBusTM)的I2C线路进行设置。电压稳压器模块(VRM)是一种能够满足IC制造商特定要求的特殊类型PoL,例如来自Intel的类似产品。

隔离式DC-DC转换器

由于各种不同的原因,可能都需要隔离。通常可以方便地将输入和输出接地分开,以便使电流路径分离,而不会相互作用。一个常见的应用是为RS485接口供电电路,用于驱动器的隔离电源轨能够阻止在主机接地和连接设备之间的电流流动(图4)。

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图4:隔离式RS485接口。

具有“浮动”输出还能使负载接地点连接到任意一个DC-DC输出终端,例如,通过将正输出连接到地,可以将浮动12V配置为-12V。同样,12V可以“叠加(stacked)”在另一个电压上,比如输入12V,以提供24伏的总电压,这可能对小型电机驱动很有用(图5)。

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图5:叠加一个隔离输出到另一个电压上。

通过变压器的功率耦合也可以提供一定程度的抗EMI性能,特别是针对本地接地线上产生的共模噪声。

进行隔离的一个重要原因通常是安全需要。您可能认为,如果一个DC-DC转换器有较低的输入和输出电压,安全不是问题。然而,DC-DC中的隔离层通常被用作更广泛隔离系统的一部分,以实现整体安全额定值。一个极端的例子是医疗市场的“病人连接”应用(图6),在这种应用中,DC-DC转换器必须针对最高系统电压(可能为230VAC)具备完全的医疗级额定隔离。其中的原因是,与患者相连的其他设备可能因为这种施加的危险电压而失效。DC-DC可以使危险的电流通过“未指定的连接路径”流回原设备,因此它必须具有高等级的隔离。

在适当的系统电压下,能够适合这种医疗应用规范的DC-DC转换器应该注明具有两个 “患者保护措施(MOPPS)”,如来自Traco Power的THM 30WI 系列。

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图6:DC-DC转换器需要两个 MOPPS。

许多DC-DC转换器的宣传资料把一个隔离额定值简单地叫做一个电压值,例如3kVDC,用户应特别小心,因为这只是工厂的“测试”电压,虽然这是一个衡量隔离坚固性的指标,除非特定的安全机构将其隔离等级限定为“基本”、“加强”或医疗“保护措施”等级别,否则不应将DC-DC转换器用于安全隔离系统。即使引用了“EN60950加强型”等标准,也必须指定系统电压,30VAC系统电压时的加强型如果用在230VAC系统中作为安全屏障将毫无价值。

隔离式DC-DC转换器有多种形式,最简单的低功率型通常没有调节,只是“比例式”转换器,即输出随输入成比例变化。这些部件成本低,可用于为接口或模拟电路提供“点(spot)”电压。不过,由于它们的空载输出电压可能远高于额定值,因此通常具有最低负载要求。这些部件在额定负载下效率很高,但在轻载时效率要低很多,甚至可能低于50%。经过精心设计,这些类型DC-DC转换器可以提供高性能和良好的机构额定隔离值,如Murata 公司的2W表面贴装NXJ2系列。

具有主动调节功能的DC-DC转换器可以承受输入和负载的变化,同时保持严格的输出电压调节。2:1的输入变化曾经是一个标准,如18-36V,但现在的元器件可用于更广泛的5:1输入,甚至更大,如来自BEL Power的CM1901-9RG,该产品适用于具有极端输入下降和浪涌的电源轨应用。

DC-DC转换器指标

在选择直流-直流转换器时,通常首先要考虑环境因素:是否需要隔离?如果需要,安全机构的级别是什么?最高环境温度是多少?是否有气流?不同的工作温度下通常会降低输出额定值,10W转换器如果没有明显的气流,在最高温度85℃时输出可能只有3W。

效率始终是一个关键指标要求,并与工作温度有关。效率会随着负载而变化,这一点也很重要,因为大多数用户都是在低于100%额定值的情况下运行,此时效率可能要低得多。

EMI的影响会随DC-DC转换器类型的不同而变化。AC-DC转换器没有法定的电磁辐射水平限制,可以采用附加的外部滤波器。而DC-DC转换器则不同,如果一个小体积的低成本转换器却需要大的昂贵滤波器来把噪声降低到可接受水平,可能就没有什么大的吸引力了。

现在,也许您会考虑实际的输入和输出电压、电流,但一定不要忘记保护功能。从长远来看,通过贸泽电子等优质供应商提供的高可靠性转换器更可以更加节省成本。

作者:贸泽电子Mark Patrick

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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