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DC-DC转换器的根基设计常识

2019-04-19 09:15:16 暂无 阅读:939 评论:0

摘要

DC-DC转换器模块普遍用于消费类电子产物,但它们若何工作以及在选择转换器产物时最主要的尺度是什么?本文我们将介绍DC-DC转换器,以匡助懂得在建立小巧而靠得住的高能效设计时所面临的一些手艺挑战。我们还将注释选择DC-DC转换器时必需要考虑的一些要害数据表参数。

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,其时只是一个别致的产物,而这种低功率直流电(DC)实际应用却很少。跟着对于电力有了更深入的懂得,人们发现扭转磁铁能够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,而且经由使用变压器,其电压能够升高和降低。

后来DC起头获得一些应用。与AC分歧的是,DC的电荷能够存储在电池或电容器中。例如,曾经用这些保留的电荷为第一部德律供电,后来的德律设计才能够经由线路获取电力。若是您想要特定的直流电压,能够将电池串联起来。若是您的确需要高功率直流电,能够在其间使器具备机械传动装配的直流电念头-发电机组,从而能够发生分歧的电压。

跟着新电子产物的络续显现,需要分歧的直流电平,例如真空管的150V,工程师们也起头考虑若何可以上下转换直流电压,DC-DC转换器的概念由此降生。

目前的DC-DC转换器

目前的DC-DC转换器应用分为分歧类别:隔离式和非隔离式,升压和降压型或兼而有之的升降压型。市场也可供应具备特定功率水平宁功能的模块,个中很多已成为一样“商用”部件。

让我们首先界说“隔离”的寄义:若是在输入和输出之间存在电气保持(平日是接地),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体式传递能量,是以输出能够相对于输入“浮动”(见图1)。我们稍后会考虑隔离品级。

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图1:DC-DC转换器能够是隔离式或非隔离式。

非隔离式DC-DC转换器

最简洁的非隔离式DC-DC转换器是一系列串联电阻器,但因为电压降会跟着负载电流而转变,是以实际电路使用晶体管来降低电压,由反馈电路掌握以连结该电压恒定。这是一种“线性”稳压器,平日采用三引脚TO-220封装供货。但问题是个中的电压只能降低而不克升高,而且器件自己也消费大量功率,巨细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封闭,在两种情形下都消费很少的功率,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“腻滑”回到DC,经由改变脉冲宽度来掌握输出电压。开关模式稳压器与线性电路比拟其效率有显著提拔(图2),开关模式稳压器的一个很好特征是也能够设置为升高电压,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。

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图2:线性和开关模式损耗对照。

还有其他种类的稳压器,如能够发生负输出电压(降压升压)和能够发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效,个中的负载电压在电池放电时需要连结恒定(图3)。

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图3:SEPIC转换器介绍。

在很多电路中,以最小尺寸实现最高效率是产物斥地的要害考虑身分,对于DC-DC转换器至关主要。在增大开关模式转换器的脉冲频率时,能够使用较小体积的电感器和电容器。然而,另一个影响身分是晶体管在每个开关边缘都邑耗散一些功率,每秒开关边缘(频率)越多,耗散的功率就越多。是以,效率和尺寸往往是对立的。磁学手艺比来在这些方面几乎没有改善,然则最新的碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等宽带隙半导体手艺可是使每个开关边缘的损耗更小,是以能够采用更高频率,体积更小的磁性元件。这项手艺使非隔离式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,它可以将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转换器平日被称为“负载点(PoL)”转换器,因为它们能够直接用于处理器或FPGA的典型负载上,以便使负载电压尽或者正确。最复杂的类型具稀有字掌握等很多特征,是以机能能够“运行中(on the fly)”调整,以适应负载前提转变,平日可使用尺度和谈(如PMBusTM)的I2C线路进行设置。电压稳压器模块(VRM)是一种可以知足IC制造商特定要求的特别类型PoL,例如来自Intel的雷同产物。

隔离式DC-DC转换器

因为各类分歧的原因,或者都需要隔离。平日能够轻易地将输入和输出接地分隔,以便使电流路径星散,而不会互相感化。一个常见的应用是为RS485接供词电电路,用于驱动器的隔离电源轨可以阻止在主机接地和保持设备之间的电流举止(图4)。

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图4:隔离式RS485接口。

具有“浮动”输出还能使负载接所在保持到随意一个DC-DC输出终端,例如,经由将正输出保持到地,能够将浮动12V设置为-12V。同样,12V能够“叠加(stacked)”在另一个电压上,好比输入12V,以供应24伏的总电压,这或者对小型电机驱动很有效(图5)。

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图5:叠加一个隔离输出到另一个电压上。

经由变压器的功率耦合也能够供应必然水平的抗EMI机能,稀奇是针对内陆接地线上发生的共模噪声。

进行隔离的一个主要原因平日是平安需要。您或者认为,若是一个DC-DC转换器有较低的输入和输出电压,平安不是问题。然而,DC-DC中的隔离层平日被用作更普遍隔离系统的一部门,以实现整体平安额定值。一个极端的例子是医疗市场的“病人保持”应用(图6),在这种应用中,DC-DC转换器必需针对最高系统电压(或者为230VAC)具备完全的医疗级额定隔离。个中的原因是,与患者相连的其他设备或者因为这种施加的危险电压而失效。DC-DC能够使危险的电畅通过“未指定的保持路径”流回原设备,是以它必需具有高档级的隔离。

在适当的系统电压下,可以适合这种医疗应用规范的DC-DC转换器应该注明具有两个 “患者珍爱办法(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。

很多DC-DC转换器的宣传资料把一个隔离额定值简洁地叫做一个电压值,例如3kVDC,用户应稀奇小心,因为这只是工场的“测试”电压,固然这是一个权衡隔离坚硬性的指标,除非特定的平安机构将其隔离品级限制为“根基”、“增强”或医疗“珍爱办法”品级别,不然不该将DC-DC转换器用于平安隔离系统。即使引用了“EN60950增强型”等尺度,也必需指定系统电压,30VAC系统电压时的增强型若是用在230VAC系统中作为平安屏障将毫无价格。

隔离式DC-DC转换器有多种形式,最简洁的低功率型平日没有调节,只是“比例式”转换器,即输出随输入成比例转变。这些部件成本低,可用于为接口或模拟电路供应“点(spot)”电压。不外,因为它们的空载输出电压或者远高于额定值,是以平日具有最低负载要求。这些部件在额定负载下效率很高,但在轻载时效率要低好多,甚至或者低于50%。经由精心设计,这些类型DC-DC转换器能够供应高机能和精巧的机构额定隔离值,如Murata 公司的2W外观贴装NXJ2系列。

具有自动调节功能的DC-DC转换器能够承受输入和负载的转变,同时连结严厉的输出电压调节。2:1的输入转变曾经是一个尺度,如18-36V,但如今的元器件可用于更普遍的5:1输入,甚至更大,如来自BEL Power的CM1901-9RG,该产物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,平日首先要考虑情况身分:是否需要隔离?若是需要,平安机构的级别是什么?最高情况温度是几多?是否有气流?分歧的工作温度下平日会降低输出额定值,10W转换器若是没有显着的气流,在最高温度85℃时输出或者只有3W。

效率始终是一个要害指标要求,并与工作温度有关。效率会跟着负载而转变,这一点也很主要,因为大多数用户都是在低于100%额定值的情形下运行,此时效率或者要低得多。

EMI的影响会随DC-DC转换器类型的分歧而转变。AC-DC转换器没有法定的电磁辐射水平限制,能够采用附加的外部滤波器。而DC-DC转换器则分歧,若是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管水平,或者就没有什么大的吸引力了。

如今,或许您会考虑实际的输入和输出电压、电流,但必然不要忘怀珍爱功能。从久远来看,经由贸泽电子等优质供给商供应的高靠得住性转换器更能够加倍节约成本。

作者:贸泽电子Mark Patrick

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