DC/DC

直流轉直流電源

DC/DC是指直流轉直流電源,是指將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,也稱為直流斬波器。

概念


是指將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,也稱為直流斬波器。這種技術被廣泛應用於無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制,同時使上述控制獲得加速平穩、快速響應的性能,並同時收到節約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調壓的作用(開關電源),同時還能起到有效地抑制電網側諧波電流雜訊的作用。

工作原理


DC/DC變換是將原直流電通過調整其PWM(占空比)來控制輸出的有效電壓的大小。
DC/DC轉換器又可以分為硬開關(Hard Switching)和軟開關(Soft Switching)兩種。硬開關DC/DC轉換器的開關器件是在承受電壓或流過電流的情況下,開通或關斷電路的,因此在開通或關斷過程中將會產生較大的交疊損耗,即所謂的開關損耗(Switching loss)。當轉換器的工作狀態一定時開關損耗也是一定的,而且開關頻率越高,開關損耗越大,同時在開關過程中還會激起電路分佈電感和寄生電容的振蕩,帶來附加損耗,因此,硬開關DC/DC轉換器的開關頻率不能太高。軟開關DC/DC轉換器的開關管,在開通或關斷過程中,或是加於其上的電壓為零,即零電壓開關(Zero-Voltage-Switching,ZVS),或是通過開關管的電流為零,即零電流開關(Zero-Current·Switching,ZCS)。這種軟開關方式可以顯著地減小開關損耗,以及開關過程中激起的振蕩,使開關頻率可以大幅度提高,為轉換器的小型化和模塊化創造了條件。功率場效應管(MOSFET)是應用較多的開關器件,它有較高的開關速度,但同時也有較大的寄生電容。它關斷時,在外電壓的作用下,其寄生電容充滿電,如果在其開通前不將這一部分電荷放掉,則將消耗於器件內部,這就是容性開通損耗。為了減小或消除這種損耗,功率場效應管宜採用零電壓開通方式(ZVS)。絕緣柵雙極性晶體管(Insu1ated Gate Bipo1ar tansistor,IGBT)是一種複合開關器件,關斷時的電流拖尾會導致較大的關斷損耗,如果在關斷前使流過它的電流降到零,則可以顯著地降低開關損耗,因此IGBT宜採用零電流(ZCS)關斷方式。IGBT在零電壓條件下關斷,同樣也能減小關斷損耗,但是MOSFET在零電流條件下開通時,並不能減小容性開通損耗。諧振轉換器(ResonantConverter ,RC)、准諧振轉換器(Qunsi-Tesonant Converter,QRC)、多諧振轉換器(Mu1ti-ResonantConverter,MRC)、零電壓開關PWM轉換器(ZVS PWM Converter)、零電流開關PWM轉換器(ZCS PWM Converter)、零電壓轉換(Zero-Vo1tage-Transition,ZVT)PWM轉換器和零電流轉換(Zero- Vo1tage-Transition,ZVT)PWM轉換器等,均屬於軟開關直流轉換器。電力電子開關器件和零開關轉換器技術的發展,促使了高頻開關電源的發展。

發展方向


半導體技術進步是DC/DC技術變化的強大動力。
1、MOSFET的技術進步給DC/DC模塊技術帶來的巨大變化,同步整流技術的巨大進步。
2、Schottky技術的進步。
3、控制及驅動IC的進步。
a、高壓直接起動
b、高壓電平位移驅動取代變壓器驅動
c、ZVS,ZCS驅動器貢獻給同步整流最佳效果
d、光耦反饋直接介面PWM IC經歷了電壓型=>電流型=>電壓型的轉換,又經歷了硬開關=>軟開關=>硬開關的否定之否定變化。掌握優秀控制IC是製作優秀DC/DC的前提和關鍵。
4、微控制器DSP進入DC/DC是技術發展的必由之路。
5、磁芯技術的突破是下一代DC/DC技術進步的關鍵,也是巨大難題。
產品樣品
產品樣品
DC/DC相關專業術語:
1.
DC loop signaling (Dirrect Current)
直流環路信令
2.
current, direct (dc)
直流電流
3.
dc offset
直流偏移,直流偏置
4.
直流隔離
5.
dc holdover
直流蓄冷
6.
dc filter
直流濾波器
7.
direct-current (dc)
直流電流
8.
direct current (DC)
直流電流
9.
DC-restore amplifiers
直流恢復放大器
10.
DC-to-DC Converter Unit
直流-直流轉換單元

設計技巧


一.DC-DC電路設計至少要考慮以下條件:
1.外部輸入電源電壓的範圍,輸出電流的大小。
2. DC-DC輸出的電壓,電流,系統的功率最大值。
二。基於以上兩點選擇PWM IC要考慮:
1. PWM IC的最大輸入電壓。
2.PWM開關的頻率,這一點的選擇關係到系統的效率。對儲能電感,電容的大小的選擇也有一定影響。
3.MOS管的所能夠承受的最大額定電流及其額定功率,如果DC-DC IC內部自帶MOS,只需要考慮IC輸出的額定電流。
4. MOS的開關電壓Vgs大小及最大承受電壓。
三。電感(L1),二極體(CR1),電容(C2)的選擇
1.電感量:大小選擇主要由開關頻率決定,大小會影響電源紋波;額定電流,電感的內阻選擇由系統功耗決定。
2.二極體:通常都用肖特基二極體。選擇時要考濾反向電壓,前向電流,一般情況反向電壓為輸入電源電壓的二倍,前向電流為輸出電流的兩倍。
3.電容:電容的選擇基於開關的頻率,系統紋波的要求及輸出電壓的要求。容量和電容內部的等效電阻決定紋波大小(當然和電感也有關)。
如何得到一個電源紋波相對較小、對系統其他電路干擾相對較小,而且相對穩定可靠的DC-DC電路,需要對以上電路的原理做如下修改:
1.輸入部分:電源輸入端需要加電感電容濾波。目的:由於MOS管的開關及電感在瞬間的變化會造成輸入電源的波動,尤其是在系統耗電波動較大時,影響更為明顯。
2.輸出部分:
(1)假定C2的選擇的100uF是正確的,我們想得到更小的紋波,可以將100uF的電容改成兩顆47uF的電容(基於相同類型的電容);如果100uF電容採用的是鋁電解,可以在原來的基礎上加一顆10uF的磁片電容或鉭電容
(2)在輸出端再加一顆電容和一顆電容對原來的電源做一個LC濾波,會得到一個紋波更小的電源。
PCB 布線時,應注意幾點:
1.輸入電源與MOS的連線要儘可能的粗。
2. Vgs也要粗一點,千萬不要以為粗細沒關係,(註:一般系統功率相對較低時,輸出電流不大,粗細的影響不明顯)關鍵時刻會影響電源的穩定性。
3. CR1,L1盡量靠近Q1。C2盡量靠近L1。
4.反饋電阻的線盡量遠離電感L1。
5.反饋電壓的地與系統的地盡量的近,保持在一個電位上。
6. CR1的地線千萬要粗,在MOS的打開的時間裡,L1的電流是由CR1的通路提供,即由地流向L1。

應用技巧


在常見的DC/DC變換器中,有很多的應用技巧是不為工程師所掌握的。現拿UTC P3596應用電路來作一個說明,與諸位分享交流:
DC-DC應用技巧一
當我們用這個電路做好Buck以後,電感量達到其Spec.的要求,卻發現負載調整率過低。這種情況下,很多同學都認為晶元品質問題等等。其實由於晶元的半導體工藝不能使內部的運放的帶寬(bandwidth)做的很大。所以我們所做的要麼就是屏蔽內部的運放(象我們常見的384X電路1,2pin的連接方法);要麼就是外部來補償,在R1上並一個無極性電容加速內部運放對輸出電壓的反應。
分析也不是僅針對UTC P3596的晶元,適用於全部的DC/DC,及其它的開關電源。
開關電源作為一個反饋系統,當我們選用一個運放來做PID(比例積分微分),而我們選用運放要求的帶寬要有足夠的大,相應的相位裕度也比較大(當然在一定的性價比條件下)。用於適應響應反饋中採樣的低頻至高頻的信號!
我們做低成本的充電器,可以用穩壓管。功率再大一些,就選用TL431(內部一個運放加晶體管)。對於精度要求更好的,我們肯定不會用TL431或穩壓管。呵呵~~~~結論還是自己分析會比較好!!!對於很多開關電源工程師來說,一但調試搞不定,就會說補償沒調好/變壓器沒繞好~~~原因為何?
我們首先看一下,UC384X內部結構圖(注意看1/2腳之間的運放):
如果我們把2腳接地,用1腳作為反饋端;這實際上,就是把這個內部的運放接成一個跟隨器。就是把這個運放給屏蔽了!
DC-DC應用技巧二
在很多情況下,突然撤去負載或輸入時,導致Buck電路內部的MOSFET損壞。
分析原因:基本上是輸出級的能量無處泄放,一種是自然放電,一種就會反灌!
基本上解決的方法就是在這樣的Buck電路中,輸入級至輸出級反方向接一個二極體。
延伸:為什麼我們在開關電源中所應用的MOSFET中會集成一個反向的體二極體啦!同樣我們在用VR(7805/7808 etc.)盡量會加一個反向二極體。
DC-DC應用技巧三
也有很多人說,短路電流大或者短路效果不明顯。
碰到這樣的可以嘗試換一個線徑來繞制這個電感,因為不同的線徑在相同的磁環(磁棒)上都可以繞制到需求的電感量。但不同的線經會產生不同的ESR(等效電阻),而這個電阻是總負荷的一部分!