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DC/DC
阅读:2849时间:2016-09-27 11:04:58

    DC/DC是指将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,也称为直流斩波器

简介

    DC/DC 【中文解释】就是指直流转直流电源。

    概念

    这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制,同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能(20~30)%。直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源), 同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。

工作原理

    DC/DC变换是将原直流电通过调整其PWM(占空比)来控制输出的有效电压的大小。

    DC/DC转换器又可以分为硬开关(Hard Switching)和软开关(Soft Switching)两种。硬开关DC/DC转换器的开关器件是在承受电压或流过电流的情况下,开通或关断电路的,因此在开通或关断过程中将会产生较大的交叠损耗,即所谓的开关损耗(Switching loss)。当转换器的工作状态一定时开关损耗也是一定的,而且开关频率越高,开关损耗越大,同时在开关过程中还会激起电路分布电感和寄生电容的振荡,带来附加损耗,因此,硬开关DC/DC转换器的开关频率不能太高。软开关DC/DC转换器的开关管,在开通或关断过程中,或是加于其上的电压为零,即零电压开关(Zero-Voltage-Switching,ZVS),或是通过开关管的电流为零,即零电流开关(Zero-Current·Switching,ZCS)。这种软开关方式可以显着地减小开关损耗,以及开关过程中激起的振荡,使开关频率可以大幅度提高,为转换器的小型化和模块化创造了条件。功率场效应管(MOSFET)是应用较多的开关器件,它有较高的开关速度,但同时也有较大的寄生电容。它关断时,在外电压的作用下,其寄生电容充满电,如果在其开通前不将这一部分电荷放掉,则将消耗于器件内部,这就是容性开通损耗。为了减小或消除这种损耗,功率场效应管宜采用零电压开通方式(ZVS)。绝缘栅双极性晶体管(Insulated Gate Bipolar tansistor,IGBT)是一种复合开关器件,关断时的电流拖尾会导致较大的关断损耗,如果在关断前使流过它的电流降到零,则可以显着地降低开关损耗,因此IGBT宜采用零电流(ZCS)关断方式。IGBT在零电压条件下关断,同样也能减小关断损耗,但是MOSFET在零电流条件下开通时,并不能减小容性开通损耗。谐振转换器(ResonantConverter ,RC)、准谐振转换器(Qunsi-Tesonant Converter,QRC)、多谐振转换器(Multi-ResonantConverter,MRC)、零电压开关PWM转换器(ZVS PWM Converter)、零电流开关PWM转换器(ZCS PWM Converter)、零电压转换(Zero-Voltage-Transition,ZVT)PWM转换器和零电流转换(Zero- Voltage-Transition,ZVT)PWM转换器等,均属于软开关直流转换器。电力电子开关器件和零开关转换器技术的发展,促使了高频开关电源的发展。

发展方向

半导体技术进步是DC/DC技术变化的强大动力。
1、MOSFET的技术进步给DC/DC模块技术带来的巨大变化,同步整流技术的巨大进步。
2、Schottky技术的进步。
3、控制及驱动IC的进步。
a、高压直接起动
b、高压电平位移驱动取代变压器驱动
c、ZVS,ZCS驱动器贡献给同步整流最佳效果
d、光耦反馈直接接口PWM IC经历了电压型=>电流型=>电压型的转换,又经历了硬开关=>软开关=>硬开关的否定之否定变化。掌握优秀控制IC是制作优秀DC/DC的前提和关键。
4、微控制器及DSP进入DC/DC是技术发展的必由之路。
5、磁芯技术的突破是下一代DC/DC技术进步的关键,也是巨大难题。
DC/DC相关专业术语:
1.
DC loop signaling (Direct Current)
直流环路信令
2.
current, direct (dc)
直流电流
3.
dc offset
直流偏移,直流偏置
4.
dc isolation
直流隔离
5.
dc holdover
直流蓄冷
6.
dc filter
直流滤波器
7.
direct-current (dc)
直流电流
8.
direct current (DC)
直流电流
9.
DC-restore amplifiers
直流恢复放大器
10.
DC-to-DC Converter Unit
直流-直流转换单元

设计技巧

    一.DC-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。

    二.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Vgs大小及最大承受电压。

    三.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Q1。C2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。

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:

    DC-DC应用技巧一

    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,在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UTC P3596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,用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。

    延伸:为什么我们在开关电源中所应用的MOSFET中会集成一个反向的体二极管啦!同样我们在用VR(7805/7808 etc.)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!

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