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DC-DC转换器的基本设计知识

作者:千赢pt手机客户端 发布于:2020-11-05

概要DC-DC转换器模块普遍用作消费类电子产品,但它们如何工作以及在自由选择转换器产品时最重要的标准是什么?本文我们将讲解DC-DC转换器,以协助解读在创立小巧而可信的高能效设计时所面对的一些技术挑战。我们还将说明自由选择DC-DC转换器时必需要考虑到的一些关键数据表参数。

文章正文当AllesandroVolta用铜和锌盘以及浸有盐水的纸板做成电池时,当时只是一个新奇的产品,而这种较低功率直流电(DC)实际应用于却很少。随着对于电力有了更加了解的解读,人们找到转动磁铁可以在电线中感应器出有交流电流(AC),随之而来就关上了发电的世界。交流电限于于灯光、冷却和驱动电机,并且通过用于变压器,其电压可以增高和减少。

后来DC开始获得一些应用于。与AC有所不同的是,DC的电荷可以存储在电池或电容器中。例如,曾多次用这些储存的电荷为第一部电话供电,后来的电话设计才可以通过线路提供电力。如果您想特定的直流电力,可以将电池串联一起。

如果您显然必须高功率直流电,可以在其间用于不具备机械传动装置的直流电动机-发电机组,从而可以产生有所不同的电压。随着新的电子产品的大大经常出现,必须有所不同的直流电平,例如真空管的150V,工程师们也开始考虑到如何需要上下切换直流电力,DC-DC转换器的概念由此问世。当今的DC-DC转换器当今的DC-DC转换器应用于分成有所不同类别:隔绝式和非隔绝式,降压和升压型或兼而有之的乘载压型。市场也可获取不具备特定功率水平和功能的模块,其中许多已沦为一般“商用”部件。

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让我们首先定义“隔绝”的含义:如果在输出和输入之间不存在电气相连(一般来说是短路),则该部件所谓隔绝式。隔绝部件有一个内部变压器,在输出和输入之间以磁性方式传送能量,因此输入可以相对于输出“浮动”(闻图1)。我们几天后不会考虑到隔绝等级。

图1:DC-DC转换器可以是隔绝式或非隔绝式。非隔绝式DC-DC转换器最简单的非隔绝式DC-DC转换器是一系列串联电阻器,但由于电压降会随着阻抗电流而变化,因此实际电路用于晶体管来减少电压,由对系统电路掌控以维持该电压恒定。这是一种“线性”稳压器,一般来说使用三插槽TO-220PCB供货。

但问题是其中的电压不能减少而无法增高,并且器件本身也消耗大量功率,大小为输出和输入电压的差值除以阻抗电流。解决问题上述问题的方案是“电源模式”稳压器,其晶体管几乎打开或重开,在两种情况下都消耗很少的功率,流经电感器和电容器后将电压脉冲传送到输入,之后脉冲被“光滑”返回DC,通过转变脉冲宽度来掌控输入电压。电源模式稳压器与线性电路比起其效率有明显提高(图2),电源模式稳压器的一个很好特性是也可以配备为增高电压,沦为“降压”转换器。

当它只用作减少电压时,就是一个“升压”转换器。图2:线性和电源模式损耗较为。还有其他种类的稳压器,如可以产生胜输入电压(升压降压)和可以产生低于或高于于是以输出电压输入的“SEPIC”电路。

这在电池供电应用于中十分简单,其中的阻抗电压在电池静电时必须维持恒定(图3)。图3:SEPIC转换器讲解。在许多电路中,以大于尺寸构建最低效率是产品开发的关键考虑到因素,对于DC-DC转换器至关重要。

在减小电源模式转换器的脉冲频率时,可以用于较小体积的电感器和电容器。然而,另一个影响因素是晶体管在每个电源边缘都会力学系统一些功率,每秒电源边缘(频率)就越多,力学系统的功率就越少。因此,效率和尺寸往往是矛盾的。

磁学技术最近在这些方面完全没改良,但是近期的碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等宽带隙半导体技术可是使每个电源边缘的损耗更加小,因此可以使用更高频率,体积更加小的磁性元件。这项技术使非隔绝式DC-DC转换器具备低于95%的效率,输入电流平均100A甚至更高。例如,德州仪器(TI)的PTH04040W额定电流为60A,其输入为0.8V~2.5V固定式,输出电压为2.95V~5.5V,PCB尺寸仅有为51.94x26.54mm。

模块化降压转换器不过于少见,这里的一个例子是来自GECriticalPower的ABXS002A3X41-SRZ,它需要将8~16V输出切换为16~34V输入,输入电流为2.3A,模块尺寸为27.9x11.4mm。非隔绝式DC-DC转换器一般来说被称作“阻抗点(PoL)”转换器,因为它们可以必要用作处理器或FPGA的典型阻抗上,以便使阻抗电压尽量准确。最简单的类型具备数字控制等许多特性,因此性能可以“运营中(onthefly)”调整,以适应环境阻抗条件变化,一般来说可用于标准协议(如PMBusTM)的I2C线路展开设置。电压稳压器模块(VRM)是一种需要符合IC制造商特定拒绝的类似类型PoL,例如来自Intel的类似于产品。

隔绝式DC-DC转换器由于各种有所不同的原因,有可能都必须隔绝。一般来说可以便利地将输出和输入短路分离,以便使电流路径分离出来,而会相互作用。

一个少见的应用于是为RS485模块供电电路,用作驱动器的隔绝电源轨需要制止在主机短路和相连设备之间的电流流动(图4)。图4:隔绝式RS485模块。

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