广告

以不变应万变:适用于多种应用的DC/DC电源模块

2023-09-06 15:37:45 Timur Uludag 阅读:
各种应用都在输入电压范围、开关行为、高效率和电源排序方面有着不同的要求。先进的DC/DC电源模块必须要能满足这些要求。

DC/DC电源模块领域的发展已从专业化转向“通才”。这意味着电源模块不再只具有满足某一特定应用所需的一项突出功能,而是需要具有一系列功能,从而使其对广泛的应用都具有吸引力。Psoednc

1显示了小型非隔离DC/DC电源模块在不同环境下的典型应用。用于安防监控的摄像头系统中,电源模块采用5V供电。然后,DC/DC模块要生成3.3V电压,而满足图像处理器IC所需。电流消耗与时间相关,系统仅在拍照时才需要能量。Psoednc

Psoednc

图1:DC/DC电源模块的典型应用范围。Psoednc

可穿戴设备和便携式设备等电池供电类应用,需要采用高效电源来延长电池寿命。内部电池需要通过DC/DC电源模块将5V电压转换成3.6V而实现充电。Psoednc

示波器需要采用模数转换器(ADC)来测量电压并将其转换为数字值。ADC的5V电压由电源模块生成,而该电源模块则由示波器内部的12V直流总线供电。Psoednc

仓库物流控制单元直接连接到24V直流总线,因此必须能够抵御该电源总线上所始终存在的瞬变。Psoednc

上述每种应用都对DC/DC转换器提出了特定的要求。本文着眼于各种要求,概述了DC/DC电源模块如何满足这些要求。Psoednc

考虑到上述应用对DC/DC转换器的主要要求,可以将其归纳为以下四类:Psoednc

  • 宽输入电压范围;
  • 自适应开关行为;
  • 高效率;
  • 电源排序。

宽输入电压范围

上述应用的输入电压范围从5V负载点(PoL)电源延伸到设备本身所生成的12V中间电压,再到直接连接的24V直流总线。每种轨电压都有自己的容差范围。如果要为每种轨电压使用单独的DC/DC转换器,则必须对相应的设计进行构思、配置、测试、检查EMI一致性、构建以及后勤处理。Psoednc

VDLM系列171013801、171023801和171033801(图2)的输入电压范围为3.5至38V。这使得电源模块适合覆盖所有常见电压轨。Psoednc

Psoednc

图2:具有容差的典型轨电压。Psoednc

自适应开关行为

便携式设备等电池供电类应用并不总是在满负载条件下运行。例如,测量应用在测量期间具有较高的功率需求,而在测量之间则具有较低的功率需求。Psoednc

有两种负载状态很常见:Psoednc

  • 轻负载,即应用在空闲或待机模式下运行(降低能耗);
  • 满负载,即应用在标称条件下运行(正常能耗)。

每种负载条件下的最佳开关行为是什么?如果上述两种特性与DC/DC电源模块相关,则意味着轻负载时很少发生开关或没有发生开关,而开关是造成大部分损耗的原因。为了实现这一点,就需要自适应开关行为,即具有两种不同开关行为的模式,以及足够智能的系统,而可以根据负载需求在模式之间进行转换。Psoednc

3()中可以看到我们所期望的在脉宽调制(PWM)模式下所运行的标准降压转换器的“典型”行为。当开关频率保持固定时,将生成可变脉冲宽度。所有周期的TS都相同。PWM模式应用广泛,大多数工业电源中都有这种模式。这种模式对于这些类型的应用来说是令人满意的,因为它们在大部分使用寿命内都在重负载条件下工作。Psoednc

然而,传感器等应用具有不同的负载行为。在此,轻负载条件则是主要的运行情况。因此,必须调整开关行为,以便在这种负载情况下实现最佳性能。在脉冲频率调制(PFM)模式下,频率会发生变化。如果对PWM模式和PFM模式进行比较,如图3()所示,那么很明显,PFM模式可提供更高的效率值,因为给定时间段内的开关次数较少,因此开关损耗也较低。与PWM模式相比,在PFM模式的空闲时间内,模块不会产生损耗。Psoednc

Psoednc

图3:不同负载条件下的不同开关行为——满负载下的PWM模式(左)和轻负载下的PFM模式(右)。Psoednc

VDLM 171013801、171023801和171033801电源模块具有两种操作模式,可根据输出电流值自动发生转换。在轻负载条件下,这些模块工作在PFM模式。该模式的特点是开关频率较低以减少电流消耗,这会带来更高的效率。在PFM模式下,它们会在监控电感器电流的同时生成单个脉冲而用于打开高侧开关。高侧开关保持导通状态,直到电感电流达到预设值600mA(典型值)。Psoednc

当达到电感电流值时,高侧开关关闭,低侧开关开启。电感器电流减小,当其达到零时,两个开关都将关闭(空闲时间)。此时,输出电容器仅向负载提供能量。Psoednc

当向负载供电时,输出电压会根据消耗的功率缓慢下降。这些模块会监视输出电压纹波,当满足特定限值时,会启动另一个脉冲并重复该循环。Psoednc

当负载电流增加时,空闲时间减少,开关频率增加,直到达到标称开关频率,接着模块转换到PWM模式。Psoednc

控制机制从PFM变为PWM的转换点的选择,基于600mA的最大电感器电流(典型值)。当模块在PFM内以断续导通模式运行时,可以使用以下公式近似计算转换点:Psoednc

Psoednc

对于从VIN=24V转换至VOUT=5V、fSW=700kHz且电感值L=4.7µH的情况,转换点约为IOUT=120mA。Psoednc

171013801、171023801和171033801数据手册中的效率曲线显示了不同VIN、VOUT和IOUT组合的“典型性能曲线”。Psoednc

效率的影响

电池寿命计算

电源模块的效率会如何影响由电池供电的应用?可以用2,800mAh电池的示例说明高效率对电池寿命的重要性。Psoednc

计算示例:Psoednc

  • 电池容量为2,800mAh;
  • 应用负载电流为10mA;
  • 电源模块输出电压1.8V;
  • 三种DC/DC转换器效率(20%、45%和85%)。

效率由以下等式给出:Psoednc

Psoednc

其中η是效率,POUT是输出功率,PIN是输入功率,VOUT是输出电压,VIN是输入电压,IIN是输入电流,IOUT是输出电流。Psoednc

PIN和IIN由以下等式给出:Psoednc

Psoednc

电池寿命由以下等式给出:Psoednc

Psoednc

其中Q是电池容量(以mAh为单位),T是电池寿命(以h为单位)。Psoednc

η=20%、η=45%和η=85%时的计算示例如下:Psoednc

η=20%时,Psoednc

Psoednc

可以用同样的方法计算出以下结果:Psoednc

η=45%时,T=264hPsoednc

η=85%时,T=480hPsoednc

根据DC/DC转换器的效率,电池可持续使用的小时数如图4所示。效率从20%跃升至85%,电池寿命可延长400%以上。这可以使充电之间的运行时间更长,维护之间的间隔更长,等等。Psoednc

Psoednc

图4:电池寿命对DC/DC控制器效率的依赖性。Psoednc

功率损耗和热降额

更高效率的另一个影响(尤其是在空间受限的应用中)是转换器的温升更低。通过比较类似封装设计中VDLM与LDO的降额曲线,损耗对性能的负面影响就变得显而易见。Psoednc

5显示了功耗对LDO输出电流能力的负面影响。比较中所使用的LDO额定值为VIN=40V,IOUT=1A。Psoednc

Psoednc

图5:WPME-VDLM 171013801与LDO之间的降额比较。Psoednc

LDO的降额从一开始就开始了。由于LDO的工作原理,当从VIN=24V转换至VOUT=5V时,损耗太大。这意味着它只能提供0.1A电流,尽管它的额定电流为1A。与模块相比,LDO总是需要采用额外的冷却手段来使其正常运行,从而获得更高的VIN与VOUT之比。Psoednc

相比之下,VDLM 171013801在VIN=24V至VOUT=5V的情况下,输出电流为1A,在高达105℃的温度下不会降额,这意味着该解决方案的尺寸、重量和成本与基于LDO的解决方案相比要低得多。Psoednc

向171013801注入的功率中有超过90%将用于为应用供电。相比之下,LDO仅能使用20%的输入功率来完成此任务,而其余80%的功率将转化为热量而必须由LDO散发。Psoednc

低效率运行会带来五个不利结果:Psoednc

  • 运行应用会产生额外能源消耗;
  • 额外的冷却工作(有源冷却)会带来更高的能耗;
  • 高温应力会使设备可靠性降低;
  • 散热管理设计工作量和成本提高;
  • 总解决方案尺寸增加。

电源排序

在微控制器(MCU)和DSP等需要多个轨电压的系统中,必须按规定的时间顺序施加电压。图6中的示例显示了此行为。Psoednc

Psoednc

图6:排序输出电压的主要行为。Psoednc

将三个电压V1、V2和V3不同时连接到负载,例如DSP。每个电压将在规定的时间序列后连接到DSP。V1在时间t1之后连接。当V1达到其标称值后,第二个电压开始上升。V3则是最后一个。该电压在V2达到其标称值后开始上升。然而,在V3开始上升之前,V2达到其标称值的时间必须是V1的两倍。Psoednc

为了实现这种电源排序,电源模块需要有两个功能来予以支持:Psoednc

  • 使能功能:这可以将转换器设置为在达到阈值时开始开关。
  • 电源正常(PG)功能:一旦VOUT高于某个阈值(例如90%),PG引脚就会转换为高电平状态。

7显示了电源模块1通过EN引脚实现打开——该引脚连接到VIN。一旦模块1的输出电压VOUT1达到90%,PG引脚就会转换为高电平状态。如果将模块1的PG引脚连接到模块2的EN引脚,则PG信号就会使能模块2。这会导致模块2的输出电压依次增加。Psoednc

Psoednc

图7:将1710X3801系列连接用于排序操作的简化典型电路图。Psoednc

按顺序启动模块的另一个积极效果是上游电源所提供的峰值输入电流也能受到控制。如果模块同时启动,那么它们的输入电流将会合并,这可能会超过上游电源的限制。Psoednc

以不变应万变

“以不变应万变”意味着可以用一种电源模块解决方案满足多种应用的需求。VDLM 1710X3801通过两种方式支持该策略。首先,其纯性能数据涵盖了从低功率范围到中功率范围的许多应用,无论是PoL应用还是24V直流总线应用:Psoednc

  • VIN=3.5至38V;
  • IOUT=高达3A;
  • VOUT=0.85至13V;
  • LGA-12EP封装。

其次,使用集成电源模块这种可轻松插入应用的现成解决方案提供了一种改进措施。该电源模块在DC/DC转换器必需的所有领域均已经过全面测试。Psoednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News,参考链接:One Size Fits All: DC/DC Converter Modules for a Broad Range of Applications,由Franklin Zhao编译。)Psoednc

本文为《电子技术设计》2023年8月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里Psoednc

责编:Franklin
本文为电子技术设计原创文章,未经授权禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
广告
热门推荐
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
面包芯语
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了