低功耗 DC/DC 轉換器的復雜設計
出處：維庫電子市場網 發(fā)布于：2023-12-21 17:36:58 | 614 次閱讀
第一個 DC/DC 轉換解決方案都是低噪聲線性設計，易于使用，但有兩個主要缺點。首先，輸出電壓必須始終低于輸入電壓；然而，線性穩(wěn)壓器的效率非常低，并且將大部分供電功率以熱量的形式耗散。其次，根據(jù)輸入和輸出之間的電壓差，線性穩(wěn)壓器的效率可能為 60% 或更低。
開關 DC/DC 轉換器的發(fā)明解決了這兩個問題，但需要更復雜的設計方法。與線性設計相比，開關轉換器利用電感和電容元件的儲能特性以離散數(shù)據(jù)包傳輸功率。功率脈沖存儲在電感器的磁場或電容器的電場中。 開關控制器確保在每個開關周期中僅傳輸負載所需的功率，從而使該拓撲非常高效。最好的設計可以實現(xiàn) 97% 或更高的效率。圖 1 顯示了開關 DC/DC 轉換器的簡化框圖。
圖 1 中的開關功能由功率晶體管執(zhí)行，功率晶體管以受控順序在高效“開”和“關”狀態(tài)之間交替。這與線性設計中的連續(xù)操作形成對比。開關DC/DC 轉換器可以產生高于或低于輸入的輸出（升壓或降壓）或反轉輸入到輸出的電壓。
輸出可以是穩(wěn)壓的，也可以是非穩(wěn)壓的。未經調節(jié)的轉換器的輸出電壓隨著負載電流或輸入電壓的變化而顯著變化。在穩(wěn)壓設計中，反饋控制環(huán)路（虛線）將輸出電壓反饋至開關模塊；這會改變開關操作，以補償輸出電壓與期望值的偏差，無論這些偏差是由輸入電壓的變化（例如，供電電池緩慢耗盡）還是由負載的變化引起的。
最簡單的開關拓撲在輸入和輸出之間共享公共接地電流路徑，因此是非隔離的，電感元件是電感器。隔離轉換器在輸入和輸出之間提供電流隔離，因為它通過變壓器的相互耦合繞組的電磁場傳輸功率。由于輸出與輸入電隔離，因此輸入電壓與輸出的極性相同或相反并不重要。在線性設計中，接地返回電流直接在輸入和輸出之間流動；因此，隔離不是一種選擇，只需要三個引腳：Vin、公共地和 Vout。
適用于低功耗 DC/DC 轉換器的 DC/DC 轉換器拓撲
在電源設計中幾乎已成定局：更好的性能與更高的成本、更高的復雜性和更大的占用空間密切相關。由于小型DC/DC轉換器的用戶非常看重緊湊的尺寸和成本效益，RECOM如何滿足他們對低功耗隔離DC/DC產品的要求？ 推挽式拓撲廣泛用于隔離式 DC/DC 轉換器。這是一種產生更高、更低或反向電壓的低成本方法，因為變壓器匝數(shù)比決定了輸出電壓關系。該拓撲結構簡單、效率合理、電磁輻射相對較低。
圖 2 顯示了具有未穩(wěn)壓輸出的隔離式推挽式 DC/DC 轉換器的框圖。為了節(jié)省空間，振蕩器和驅動晶體管可以組合在專用的推挽變壓器驅動器 IC 中。 對于穩(wěn)壓輸出，最簡單的方法是在次級側添加一個與 +Vout 線串聯(lián)的線性穩(wěn)壓器，如圖 3 所示。這種方法實現(xiàn)了預期目標，并且適合最低瓦數(shù)的 DC/DC 設計。RECOM RY/P 系列就是一個例子，其中線性穩(wěn)壓器提供短路保護以及穩(wěn)壓、低噪聲輸出。
具有更高功率輸出的 DC/DC 轉換器需要更復雜的方法。線性調節(jié)器不僅以上述方式浪費功率，而且兩個次級側二極管也是損耗源。功率二極管的正向壓降通常為 0.5V，這意味著 1A 時的功率損耗為 0.5W。 解決方案是用由兩個 FET 和一個控制器組成的同步整流器取代二極管和線性穩(wěn)壓器。
圖 5 對比了這兩種方法。FET 通過在周期的正向部分開啟并在周期的反向部分關閉來充當整流器。快速開關和約 10 mΩ 的極低導通電阻 RDS(ON) 相結合，使 FET 成為理想的整流器。缺點是它們必須主動驅動，因此需要額外的定時和驅動電路來感測內部電壓并與輸出波形同步正確地打開和關閉兩個 FET。二極管是無源器件，不需要額外的電路即可運行，但同步整流帶來的效率提高足以抵消更高輸出電流轉換器增加的成本復雜性。
該同步整流器用于 RECOM 的 RP20 系列 20 W DC/DC 轉換器，可實現(xiàn)高達 89% 的效率。該設計還包括前面描述的隔離誤差信號。最后，圖 6 中的 RP20 可以在較寬的負載范圍內實現(xiàn) 85-89% 的效率。
借鑒自大型電源設計的設計技術正被應用于最低瓦數(shù)的 DC/DC 轉換器，從而產生更高的效率。由于客戶優(yōu)先級隨著功率水平的增加而變化，因此必須進行適當?shù)男薷摹ECOM 是選擇正確設計以實現(xiàn)成本和尺寸最佳組合的領導者。
開關 DC/DC 轉換器的發(fā)明解決了這兩個問題，但需要更復雜的設計方法。與線性設計相比，開關轉換器利用電感和電容元件的儲能特性以離散數(shù)據(jù)包傳輸功率。功率脈沖存儲在電感器的磁場或電容器的電場中。 開關控制器確保在每個開關周期中僅傳輸負載所需的功率，從而使該拓撲非常高效。最好的設計可以實現(xiàn) 97% 或更高的效率。圖 1 顯示了開關 DC/DC 轉換器的簡化框圖。
圖 1 中的開關功能由功率晶體管執(zhí)行，功率晶體管以受控順序在高效“開”和“關”狀態(tài)之間交替。這與線性設計中的連續(xù)操作形成對比。開關DC/DC 轉換器可以產生高于或低于輸入的輸出（升壓或降壓）或反轉輸入到輸出的電壓。
輸出可以是穩(wěn)壓的，也可以是非穩(wěn)壓的。未經調節(jié)的轉換器的輸出電壓隨著負載電流或輸入電壓的變化而顯著變化。在穩(wěn)壓設計中，反饋控制環(huán)路（虛線）將輸出電壓反饋至開關模塊；這會改變開關操作，以補償輸出電壓與期望值的偏差，無論這些偏差是由輸入電壓的變化（例如，供電電池緩慢耗盡）還是由負載的變化引起的。
最簡單的開關拓撲在輸入和輸出之間共享公共接地電流路徑，因此是非隔離的，電感元件是電感器。隔離轉換器在輸入和輸出之間提供電流隔離，因為它通過變壓器的相互耦合繞組的電磁場傳輸功率。由于輸出與輸入電隔離，因此輸入電壓與輸出的極性相同或相反并不重要。在線性設計中，接地返回電流直接在輸入和輸出之間流動；因此，隔離不是一種選擇，只需要三個引腳：Vin、公共地和 Vout。
適用于低功耗 DC/DC 轉換器的 DC/DC 轉換器拓撲
在電源設計中幾乎已成定局：更好的性能與更高的成本、更高的復雜性和更大的占用空間密切相關。由于小型DC/DC轉換器的用戶非常看重緊湊的尺寸和成本效益，RECOM如何滿足他們對低功耗隔離DC/DC產品的要求？ 推挽式拓撲廣泛用于隔離式 DC/DC 轉換器。這是一種產生更高、更低或反向電壓的低成本方法，因為變壓器匝數(shù)比決定了輸出電壓關系。該拓撲結構簡單、效率合理、電磁輻射相對較低。
圖 2 顯示了具有未穩(wěn)壓輸出的隔離式推挽式 DC/DC 轉換器的框圖。為了節(jié)省空間，振蕩器和驅動晶體管可以組合在專用的推挽變壓器驅動器 IC 中。 對于穩(wěn)壓輸出，最簡單的方法是在次級側添加一個與 +Vout 線串聯(lián)的線性穩(wěn)壓器，如圖 3 所示。這種方法實現(xiàn)了預期目標，并且適合最低瓦數(shù)的 DC/DC 設計。RECOM RY/P 系列就是一個例子，其中線性穩(wěn)壓器提供短路保護以及穩(wěn)壓、低噪聲輸出。
具有更高功率輸出的 DC/DC 轉換器需要更復雜的方法。線性調節(jié)器不僅以上述方式浪費功率，而且兩個次級側二極管也是損耗源。功率二極管的正向壓降通常為 0.5V，這意味著 1A 時的功率損耗為 0.5W。 解決方案是用由兩個 FET 和一個控制器組成的同步整流器取代二極管和線性穩(wěn)壓器。
圖 5 對比了這兩種方法。FET 通過在周期的正向部分開啟并在周期的反向部分關閉來充當整流器。快速開關和約 10 mΩ 的極低導通電阻 RDS(ON) 相結合，使 FET 成為理想的整流器。缺點是它們必須主動驅動，因此需要額外的定時和驅動電路來感測內部電壓并與輸出波形同步正確地打開和關閉兩個 FET。二極管是無源器件，不需要額外的電路即可運行，但同步整流帶來的效率提高足以抵消更高輸出電流轉換器增加的成本復雜性。
該同步整流器用于 RECOM 的 RP20 系列 20 W DC/DC 轉換器，可實現(xiàn)高達 89% 的效率。該設計還包括前面描述的隔離誤差信號。最后，圖 6 中的 RP20 可以在較寬的負載范圍內實現(xiàn) 85-89% 的效率。
借鑒自大型電源設計的設計技術正被應用于最低瓦數(shù)的 DC/DC 轉換器，從而產生更高的效率。由于客戶優(yōu)先級隨著功率水平的增加而變化，因此必須進行適當?shù)男薷摹ECOM 是選擇正確設計以實現(xiàn)成本和尺寸最佳組合的領導者。
0次
上一篇：7805穩(wěn)壓電路
下一篇：實用并聯(lián)諧振電路
版權與免責聲明
凡本網注明“出處：維庫電子市場網”的所有作品，版權均屬于維庫電子市場網，轉載請必須注明維庫電子市場網，http://hbjingang.com，違反者本網將追究相關法律責任。
本網轉載并注明自其它出處的作品，目的在于傳遞更多信息，并不代表本網贊同其觀點或證實其內容的真實性，不承擔此類作品侵權行為的直接責任及連帶責任。其他媒體、網站或個人從本網轉載時，必須保留本網注明的作品出處，并自負版權等法律責任。
如涉及作品內容、版權等問題，請在作品發(fā)表之日起一周內與本網聯(lián)系，否則視為放棄相關權利。
電路圖分類
廣告
熱門電路圖
最新電路圖
