如何著手電源設(shè)計(jì)?3種經(jīng)典拓?fù)湓斀猓ǜ诫娐穲D、計(jì)算公式)
發(fā)布時(shí)間:2019-12-24 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】盡管降壓轉(zhuǎn)換器在輸入端具有脈沖電流,但由于的電感 - 電容(LC)濾波器位于轉(zhuǎn)換器的輸出端,輸出電流是連續(xù)的。結(jié)果,與輸出端的紋波相比,反射到輸入端的電壓紋波將會(huì)更大。
在本篇文章中,我將從不同方面深入介紹降壓、升壓和降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
降壓轉(zhuǎn)換器
圖1是非同步降壓轉(zhuǎn)換器的原理圖。降壓轉(zhuǎn)換器將其輸入電壓降低為較低的輸出電壓。當(dāng)開(kāi)關(guān)Q1導(dǎo)通時(shí),能量轉(zhuǎn)移到輸出端。
圖1:非同步降壓轉(zhuǎn)換器原理圖
公式1計(jì)算占空比:
公式2計(jì)算最大金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)應(yīng)力:
公式3給出了最大二極管應(yīng)力:
其中Vin是輸入電壓,Vout是輸出電壓,Vf是二極管正向電壓。
與線性穩(wěn)壓器或低壓差穩(wěn)壓器(LDO)相比,輸入電壓和輸出電壓之間的差異越大,降壓轉(zhuǎn)換器的效率就越高。
盡管降壓轉(zhuǎn)換器在輸入端具有脈沖電流,但由于的電感 - 電容(LC)濾波器位于轉(zhuǎn)換器的輸出端,輸出電流是連續(xù)的。結(jié)果,與輸出端的紋波相比,反射到輸入端的電壓紋波將會(huì)更大。
對(duì)于占空比小且輸出電流大于3A的降壓轉(zhuǎn)換器,建議使用同步整流器。如果您的電源需要大于30A的輸出電流,建議使用多相或交錯(cuò)功率級(jí),因?yàn)檫@樣可以最大限度地減少組件的應(yīng)力,在多個(gè)功率級(jí)之間分散產(chǎn)生的熱量,并減少轉(zhuǎn)換器輸入端的反射紋波。
使用N-FET時(shí)會(huì)造成占空比受限,因?yàn)樽耘e電容需要在每個(gè)開(kāi)關(guān)循環(huán)進(jìn)行再充電。在這種情況下,最大占空比在95-99%的范圍內(nèi)。
降壓轉(zhuǎn)換器通常具有良好的動(dòng)態(tài)特性,因?yàn)樗鼈優(yōu)檎蛲負(fù)浣Y(jié)構(gòu)??蓪?shí)現(xiàn)的帶寬取決于誤差放大器的質(zhì)量和所選擇的開(kāi)關(guān)頻率。
圖2至圖7顯示了非同步降壓轉(zhuǎn)換器中FET、二極管和電感器在連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)下的電壓和電流波形。
升壓轉(zhuǎn)換器
升壓轉(zhuǎn)換器將其輸入電壓升高為更大的輸出電壓。當(dāng)開(kāi)關(guān)Q1不導(dǎo)通時(shí),能量轉(zhuǎn)移到輸出端。圖8是非同步升壓轉(zhuǎn)換器的原理圖。
圖8:非同步升壓轉(zhuǎn)換器原理圖
公式4計(jì)算占空比:
公式5計(jì)算最大MOSFET應(yīng)力:
公式6給出了最大二極管應(yīng)力:
其中Vin是輸入電壓,Vout是輸出電壓,Vf是二極管正向電壓。
使用升壓轉(zhuǎn)換器,可以看到脈沖輸出電流,因?yàn)長(zhǎng)C濾波器位于輸入端。因此,輸入電流是連續(xù)的,輸出電壓紋波大于輸入電壓紋波。
在設(shè)計(jì)升壓轉(zhuǎn)換器時(shí),重要的是要知道,即使轉(zhuǎn)換器不在進(jìn)行切換,也會(huì)有從輸入到輸出的永久連接。必須采取預(yù)防措施,以防輸出端可能發(fā)生的短路事件。
對(duì)于大于4A的輸出電流,應(yīng)使用同步整流器替換二極管。如果電源需要提供大于10A的輸出電流,強(qiáng)烈建議采用多相或交錯(cuò)功率級(jí)方式。
當(dāng)在CCM模式下工作時(shí),升壓轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)特性由于其傳遞函數(shù)的右半平面零點(diǎn)(RHPZ)而受到限制。由于RHPZ無(wú)法補(bǔ)償,所以可實(shí)現(xiàn)的帶寬通常將小于RHPZ頻率的五分之一到十分之一。請(qǐng)參見(jiàn)公式7:
其中Vout是輸出電壓,D是占空比,Iout是輸出電流,L1是升壓轉(zhuǎn)換器的電感。
圖9至圖14顯示了非同步升壓轉(zhuǎn)換器中FET、二極管和電感器在CCM模式下的電壓和電流波形。
降壓-升壓轉(zhuǎn)換器
降壓-升壓轉(zhuǎn)換器是降壓和升壓功率級(jí)的組合,共享相同的電感器。參見(jiàn)圖15。
圖15:雙開(kāi)關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器原理圖
降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很實(shí)用,因?yàn)檩斎腚妷嚎梢员容敵鲭妷焊?、更大或相同,而需要輸出功率大?0W。
對(duì)于小于50W的輸出功率,單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)是一種更具成本效益的選擇,因?yàn)樗褂幂^少的組件。
當(dāng)輸入電壓大于輸出電壓時(shí),降壓-升壓轉(zhuǎn)換器以降壓模式工作;輸入電壓小于輸出電壓時(shí),在升壓模式下工作。當(dāng)轉(zhuǎn)換器在輸入電壓處于輸出電壓范圍內(nèi)的傳輸區(qū)域中工作時(shí),處理這些情況有兩個(gè)概念:或是降壓和升壓級(jí)同時(shí)有效,或是開(kāi)關(guān)循環(huán)在降壓和升壓級(jí)之間交替,每個(gè)通常以正常開(kāi)關(guān)頻率的一半運(yùn)行。第二個(gè)概念可以在輸出端引起次諧波噪聲,而與常規(guī)降壓或升壓工作相比,輸出電壓精度可能不那么精確,但與第一個(gè)概念相比,轉(zhuǎn)換器將更加有效。
降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在輸入和輸出端都有脈沖電流,因?yàn)槿我环较蚨紱](méi)有LC濾波器。
對(duì)于降壓-升壓轉(zhuǎn)換器,可以分別使用降壓和升壓功率級(jí)計(jì)算。
具有兩個(gè)開(kāi)關(guān)的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器適用于50W至100W之間的功率范圍(如LM5118),同步整流功率可達(dá)400W(與LM5175相同)。建議使用與未組合降壓和升壓功率級(jí)相同的電流限制的同步整流器。
您需要為升壓級(jí)設(shè)計(jì)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò),因?yàn)镽HPZ會(huì)限制穩(wěn)壓器帶寬。
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