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DC-DC变换器的设计原理与经验总结

2017-05-25
类别:行业趋势
eye 242
文章创建人 拍明芯城
       DC/DC转换器为转变输入电压后有效输出固定电压的电压转换器。DC/DC转换器分为三类:升压型DC/DC转换器、降压型DC/DC转换器以及升降压型DC/DC转换器。根据需求可采用三类控制。PWM控制型效率高并具有良好的输出电压纹波和噪声。PFM控制型即使长时间使用,尤其小负载时具有耗电小的优点。PWM/PFM转换型小负载时实行PFM控制,且在重负载时自动转换到PWM控制。目前DC-DC转换器广泛应用于手机、MP3、数码相机、便携式媒体播放器等产品中。在电路类型分类上属于斩波电路。

什么是DC(Direct Current)?它表示的是直流电源,诸如干电池或车载电池之类。家庭用的220V电源是交流电源(AC)。若通过一个转换器能将一个直流电压(3.0V)转换成其他的直流电压(1.5V5.0V),我们称这个转换器为DC-DC转换器,或称之为开关电源或开关调整器。

A: DC-DC转换器一般由控制芯片,电感线圈,二极管,三极管,电容器构成。在讨论DC-DC转换器的性能时,如果单针对控制芯片,是不能判断其优劣的。其外围电路的元器件特性,和基板的布线方式等,能改变电源电路的性能,因此,应进行综合判断。

B: 调制方式

1: PFM(脉冲频率调制方式)

开关脉冲宽度一定,通过改变脉冲输出的时间,使输出电压达到稳定。

2: PWM(脉冲宽度调制方式)

开关脉冲的频率一定,通过改变脉冲输出宽度,使输出电压达到稳定。

C: 通常情况下,采用PFMPWM这两种不同调制方式的DC-DC转换器的性能不同点如下。

PWM的频率,PFM的占空比的选择方法。

PF效干扰。

设计技巧

C-DC电路设计至少要考虑以下条件:

1.外部输入电源电压的范围,输出电流的大小。

2. DC-DC输出的电压,电流,系统的功率最大值。

基于以上两点选择PWM IC要考虑:

1. PWM IC的最大输入电压。

2.PWM开关的频率,这一点的选择关系到系统的效率。对储能电感,电容的大小的选择也有一定影响。

3.MOS管的所能够承受的最大额定电流及其额定功率,如果DC-DC IC内部自带MOS,只需要考虑IC输出的额定电流。

4. MOS的开关电压

2. 二极管:通常都用肖特基二极管。选择时要考滤反向电压,前向电流,一般情况反向电压为输入电源电压的二倍,前向电流为输出电流的两倍。

3. 电容:电容的选择基于开关的频率,系统纹波的要求及输出电压的要求。容量和电容内部的等效电阻决定纹波大小(当然和电感也有关)[1]

在电源产品的设计过程中,如果工程师能够合理利用DC-DC变换器的的工作原理知识和性能特点进行产品研发,不仅能够提高效率,还可以有效的节省测试时间,加快新产品上市的速度。在今天的文章中,我们将会就DC-DC变换器原理展开简要分析和介绍,希望能够对各位新人工程师们的研发设计工作有所帮助。

其实我们所熟悉的DC-DC变换器在实际的应用过程中,也经常被称为开关调整器,这种重要的元件具有工作效率高、静态电流小等优点,因此在不同的领域都能见到它的身影。通常来看,一个基础的DC-DC转换器是由控制芯片、电感线圈、晶闸管、三极管以及不同型号的电容器构成。

在了解了DC-DC变换器的基础结构之后,接下来就让我们来看一下它平时是如何进行工作的吧。作为一种变换装置,在平时的工作中,DC-DC变换器在电路系统中的主要工作,就是将电路中输送的直流电先逆变(执行升压或降压工作),使其成为交流电,然后再整流变换成另一种直流电压。常用DC-DC转换器一般是由直流-直流变换模块、监控模块以及与之配套的用户接口板和直流配电单元等组成的。在这种工作系统中,多个直流-直流变换模块并联均分负荷运行,将−48V直流电压变换成−24V(+12V+5V)直流电压,再经输出分路保险向负载输出。监控模块负责对变换器模块及整个系统的工作状态及性能进行监控,并通过RS232通信口纳入上一级监控系统。在直流电压的变换过程中,DC-DC转换器的变换器模块将会把−48V直流电压转换为−24V直流电压,这一转换工作由功率电路和控制电路两大部分来完成。功率电路提供从直流输入到直流输出的变换操作,而控制电路则会提供功率变换所需的一切控制信号,包括反馈回路、直流信号处理、模拟量和开关量的处理电路等。

通过上文的介绍,我们可以将一个DC-DC变换器对电压变换的完整工作过程总结为如下过程:首先,输出电压经过FB反馈电路接到FBpin采样放大器。此时,反馈电压VFB与设定好的比较电压Vcomp进行比较,并同时产生差错电压信号。该差错电压信号将会通过变换器的内部电路输入到PWM模块,然后PWM根据差错电压的大小来进行占空比的调节,从而达到对输出电压的调节目的。

绿色系统的发展趋势不仅意味着必须采用环保元器件,还对电子产业提出了节能的挑战。能源之星(EnergyStar)80+等组织都已针对各式消费电子(特别是计算类)颁布了相关规范。对当前的消费者而言,更长的电池寿命也是个十分吸引的特性。因此,更长的电池寿命、更小的外形尺寸及各国政府推出的新法规都在要求必需谨慎选择电源元件,尤其是对板上的DC-DC转换器。这表示着新平台的功率密度、效率和热性能必须大幅提高。

DC/DC转换器电路.jpg

众所周知,设计理想的DC-DC转换器涉及到众多权衡取舍。功率密度的提高通常意味着总体功耗的增加,以及结温、外壳温度和PCB温度的提升。同样地,针对中等电流到峰值电流优化DC/DC电源,几乎也总是意味着牺牲轻载效率,反之亦然。本人结合自己十多年的DC-DC应用经验,谈谈DC-DC转换器的基本原理和设计经验技巧。

DC-DC就是直流-直流变换,一般有升压(BOOST)、降压(BUCK)两种。降压式DC/DC变换器的输出电流较大,多为数百毫安至几安,因此适用于输出电流较大的场合。降压式DC/DC变换器基本工作原理电路如图1所示。VT1为开关管,当VT1导通时,输入电压Vi

过电感L1向负载RL供电,与此同时也向电容C2充电。在这个过程中,电容C2及电感L1中储存能量。当VT1截止时,由储存在电感L1中的能量继续向

RL供电,当输出电压要下降时,电容C2中的能量也向RL放电,维持输出电压不变。二极管VD1为续流二极管,以便构成电路回路。输出的电压VoR1

R2组成的分压器分压,把输出电压的信号反馈至控制电路,由控制电路来控制开关管的导通及截止时间,使输出电压保持不变。

.电感(L1),二极管(CR1),电容(C2)的选择

1.电感量:大小选择主要由开关频率决定,大小会影响电源纹波;额定电流,电感的内阻选择由系统功耗决定。

2.二极管:通常都用肖特基二极管。选择时要考滤反向电压,前向电流,一般情况反向电压为输入电源电压的二倍,前向电流为输出电流的两倍。

3.电容:电容的选择基于开关的频率,系统纹波的要求及输出电压的要求。容量和电容内部的等效电阻决定纹波大小(当然和电感也有关)

如何得到一个电源纹波相对较小、对系统其他电路干扰相对较小,而且相对稳定可靠的DC-DC电路,需要对以上电路的原理做如下修改:

1.输入部分:电源输入端需要加电感电容滤波。目的:由于MOS管的开关及电感在瞬间的变化会造成输入电源的波动,尤其是在系统耗电波动较大时,影响更为明显。

2.输出部分:

(1)假定C2的选择的100uF是正确的,我们想得到更小的纹波,可以将100uF的电容改成两颗47uF的电容(基于相同类型的电容);如果100uF电容采用的是铝电解,可以在原来的基础上加一颗10uF的磁片电容或钽电容。

(2)在输出端再加一颗电容和一颗电容对原来的电源做一个LC滤波,会得到一个纹波更小的电源。

PCB布线时,应注意几点:

1.输入电源与MOS的连线要尽可能的粗。

2. Vgs也要粗一点,千万不要以为粗细没关系,(注:一般系统功率相对较低时,输出电流不大,粗细的影响不明显)关键时刻会影响电源的稳定性。

3. CR1,  L1尽量靠近Q1C2尽量靠近L1

4. 反馈电阻的线尽量远离电感L1

5. 反馈电压的地与系统的地尽量的近,保持在一个电位上。

6. CR1的地线千万要粗,在MOS的打开的时间里,L1的电流是由CR1的通路提供,即由地流向L1

DC-DC应用技巧

在常见的DC/DC变换器中,有很多的应用技巧是不为工程师所掌握的.现拿UTC

P3596应用电路来作一个说明,与诸位分享交流:当我们用这个电路做好

Buck

以后,电感量达到其 Spec.

的要求,却发现负载调整率过低.这种情况下,很多同学都认为芯片品质问题等等.

其实由于芯片的半导体工艺不能使内部的运放的带宽(bandwidth)做的很大.所以我们所做的要么就是屏蔽内部的运放(象我们常见的384X电路

1,2pin的连接方法);要么就是外部来补偿,R1

上并一个无极性电容加速内部运放对输出电压的反应.分析也不是仅针对UTCP3596的芯片,适用于全部的DC/DC,及其它的开关电源.

开关电源作为一个反馈系统,当我们选用一个运放来做PID(比例积分微分),而我们选用运放要求的带宽要有足够的大,相应的相位裕度也比较大(当然在一定的性价比条件下).

用于适应响应反馈中采样的低频至高频的信号!

我们做低成本的充电器,可以用稳压管.

功率再大一些,就选用

TL431(内部一个运放加晶体管).

对于精度要求更好的,我们肯定不会用TL431或稳压管.

呵呵~~~~

结论还是自己分析会比较好!!!

对于很多开关电源工程师来说,一但调试搞不定,就会说补偿没调好/变压器没绕好~~~

原因为何?

我们首先看一下,UC384X

内部结构图(注意看1/2脚之间的运放):

如果我们把2脚接地,1脚作为反馈端;这实际上,就是把这个内部的运放接成一个跟随器.就是把这个运放给屏蔽了!

DC-DC应用技巧二

在很多情况下,突然撤去负载或输入时,导致Buck电路内部的MOSFET损坏.

分析原因:基本上是输出级的能量无处泄放,一种是自然放电,一种就会反灌!

基本上解决的方法就是在这样的 Buck

电路中,输入级至输出级反方向接一个二极管中会集成一个反向的体二极管啦!同样我们在用VR(7805/7808etc.)尽量会加一个反向二极管.

DC-DC应用技巧三

也有很多人说,短路电流大或者短路效果不明显.碰到这样的可以尝试换一个线径来绕制这个电感,因为不同的线径在相同的磁环(磁棒)上都可以绕制到需求的电感量.但不同的线经会产生不同的ESR(等效电阻),而这个电阻是总负荷的一部分!

 


责任编辑:Davia

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