低功耗 DC/DC 转换器的复杂设计

出处:维库电子市场网 发布于:2024-03-29 17:32:18

  个 DC/DC 转换解决方案都是低噪声线性设计,易于使用,但有两个主要缺点。首先,输出电压必须始终低于输入电压;然而,线性稳压器的效率非常低,并且将大部分供电功率以热量的形式耗散。其次,根据输入和输出之间的电压差,线性稳压器的效率可能为 60% 或更低。

  

  图片由Adobe Stock提供 
  开关 DC/DC 转换器的发明解决了这两个问题,但需要更复杂的设计方法。与线性设计相比,开关转换器利用电感和电容元件的储能特性以离散数据包传输功率。功率脉冲存储在电感器的磁场或电容器的电场中。
  开关控制器确保在每个开关周期中仅传输负载所需的功率,从而使该拓扑非常高效。的设计可以实现 97% 或更高的效率。图 1 显示了开关 DC/DC 转换器的简化框图。

  

  图 1. 开关稳压器的简化框图。图片由博多电力系统提供   
  图 1 中的开关功能由功率晶体管执行,功率晶体管以受控顺序在高效“开”和“关”状态之间交替。这与线性设计中的连续操作形成对比。开关 DC/DC 转换器可以产生高于或低于输入的输出(升压或降压)或反转输入到输出的电压。
  输出可以是稳压的,也可以是非稳压的。未经调节的转换器的输出电压随着负载电流或输入电压的变化而显着变化。在稳压设计中,反馈控制环路(虚线)将输出电压反馈至开关模块;这改变了开关操作,以补偿输出电压与期望值的偏差,无论这些偏差是由输入电压的变化(例如,供电电池缓慢耗尽)还是由负载的变化引起的。
  简单的开关拓扑在输入和输出之间共享公共接地电流路径,因此是非隔离的,电感元件是电感器。隔离转换器在输入和输出之间提供电流隔离,因为它通过变压器的相互耦合绕组的电磁场传输功率。由于输出与输入电隔离,因此输入电压与输出的极性相同或相反并不重要。在线性设计中,接地返回电流直接在输入和输出之间流动;因此,隔离不是一种选择,只需要三个引脚:Vin、公共地和 Vout。 
  适用于低功耗 DC/DC 转换器的 DC/DC 转换器拓扑
  在电源设计中几乎已成定局:更好的性能与更高的成本、更高的复杂性和更大的占用空间密切相关。由于小型DC/DC转换器的用户非常看重紧凑的尺寸和成本效益,RECOM如何满足他们对低功耗隔离DC/DC产品的要求?
  推挽式拓扑广泛用于隔离式 DC/DC 转换器。这是一种产生更高、更低或反向电压的低成本方法,因为变压器匝数比决定了输出电压关系。该拓扑结构简单、效率合理、电磁辐射相对较低。

  

  图 2. 具有未稳压输出的推挽式 DC/DC 转换器。图片由博多电力系统提供 
  图 2 显示了具有未稳压输出的隔离式推挽式 DC/DC 转换器的框图。为了节省空间,振荡器和驱动晶体管可以组合在专用的推挽变压器驱动器 IC 中。
  对于稳压输出,简单的方法是在次级侧添加一个与 +Vout 线串联的线性稳压器,如图 3 所示。这种方法实现了预期目标,并且适合瓦数的 DC/DC 设计。RECOM RY/P 系列就是一个例子,其中线性稳压器提供短路保护以及稳压、低噪声输出。
  
  图 3. 具有稳压输出的推挽式 DC/DC 转换器。图片由博多电力系统提供  [PDF] 
  这种类型的设计可以实现约 65-75% 的效率。当功率超过 1 W 或 2 W 时,效率化变得更加重要,需要进一步改进设计。因此,使用初级侧调节代替次级侧调节。代替线性稳压器,在次级侧对输出电压进行监控,并将其与所需电压进行比较,以生成误差电压,然后将该误差电压发送回初级侧振荡器控制器。这会调整开关频率以将误差驱动至零。由于这是隔离设计,因此误差信号也必须隔离。图 4 显示了 RECOM 额定功率为 3 W 及更高的稳压转换器中使用的这种方法,可实现约 85% 的效率。

  

  图 4. 次级侧误差信号向初级侧控制器提供反馈。图片由博多电力系统提供  [PDF] 
  具有更高功率输出的 DC/DC 转换器需要更复杂的方法。线性调节器不仅以上述方式浪费功率,而且两个次级侧二极管也是损耗源。功率二极管的正向压降通常为 0.5V,这意味着 1A 时的功率损耗为 0.5W。
  解决方案是用由两个 FET 和一个控制器组成的同步整流器取代二极管和线性稳压器。

  

  图 5. 无源整流(左)与同步整流(右)。图片由博多电力系统提供  [PDF]  
  图 5 对比了这两种方法。FET 通过在周期的正向部分开启并在周期的反向部分关闭来充当整流器。快速开关和约 10 mΩ 的极低导通电阻 RDS(ON) 相结合,使 FET 成为理想的整流器。缺点是它们必须主动驱动,因此需要额外的定时和驱动电路来感测内部电压并与输出波形同步正确地打开和关闭两个 FET。二极管是无源器件,不需要额外的电路即可运行,但同步整流带来的效率提高足以抵消更高输出电流转换器增加的成本复杂性。

  

  图 6.  RP20 采用了多种设计技术来提高效率。图片由博多电力系统提供 
  该同步整流器用于 RECOM 的 RP20 系列 20 W DC/DC 转换器,可实现高达 89% 的效率。该设计还包括前面描述的隔离误差信号。,图 6 中的 RP20 可以在较宽的负载范围内实现 85-89% 的效率。
  借鉴自大型电源设计的设计技术正被应用于瓦数的 DC/DC 转换器,从而产生更高的效率。由于客户优先级随着功率水平的增加而变化,因此必须进行适当的修改。RECOM 是选择正确设计以实现成本和尺寸组合的。
关键词:DC/DC 转换器  

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