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理解电源转换及其所用拓扑结构

2021-11-11 13:34:55 Mark Patrick,贸泽电子 阅读:
本文将介绍电源转换的基本概念,包括隔离和稳压技术。还将讨论一些基于分立器件和模块设计的最流行的拓扑结构。

对于许多类型的电子设备,无论是复杂的信息娱乐系统还是简单的电池供电工业物联网(IIoT)传感器,都需要某种形式的电源转换。但是,就DC/DC和AC/DC电源转换而言,有多种类型的开关式拓扑结构可以选择。类型的选择在很大程度上取决于所需的电压水平和所需的功率。本文将介绍电源转换的基本概念,包括隔离和稳压技术。还将讨论一些基于分立器件和模块设计的最流行的拓扑结构。SJqednc

我们今天所使用的大多数技术当中都需要进行电源转换。例如,智能手机可能会使用标称输出电压为3.7V的锂离子电池。但是,手机内部的器件可能会在更高或更低的电压水平下工作,其中最常见的是1.8V、3.3V和5.0V。电源转换技术用于将电池的标称输出电压转换为所需的电压。即使是数以百万计的、用于在移动过程中为智能手机和耳机等便携式设备充电的USB移动电源这种简单设备,其内部也有电源转换。同样,它也使用标称输出电压为3.7V的锂离子电池组,而电源转换技术可将该电源电压提高到所需的5.0V。SJqednc

对于智能音箱、电视或其他家用电器等较大的电子产品,需要将电源电压转换为合适的水平。这些应用会使用AC/DC电源适配器和DC/DC转换器。以往使用的是线性技术,需要大量元器件,并且效率相对较低。尽管这种技术目前仍用于少数DC/DC电源转换任务,但当今大多数应用都已转用开关稳压器。SJqednc

开关电源转换技术是先将能量存储在电感器或电容器中,然后这一储存的能量就使开关稳压器能够提供高于或低于标称输入电压的输出电压,参见1SJqednc

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1:典型DC/DC转换器的功能框图。(图片来源:村田制作所)SJqednc

为了驱动转换器中的开关,可将PWM信号施加到一个半导体器件上。PWM信号的占空比和频率会直接影响到效率、负载调整,以及输出电压。从本质上讲,PWM和开关器件形成一个电荷泵电路,在“导通”周期内将能量存储在电感器或电容器中;在“关断”期间将这一储存的能量释放并进行整流。然后就可以用PWM信号实现输出电压稳定。为了实现输入到输出隔离,将变压器用作电感元件,并带有一个电容器。SJqednc

多年来,几种DC/DC转换器拓扑结构已经被广泛采用,主要包括:SJqednc

  • 降压
  • 升压
  • 隔离式反激

本文还将重点介绍其他三种常用的开关拓扑结构:推挽、半桥和全桥。SJqednc

流行的电源转换拓扑结构

降压

顾名思义,降压转换器可将输出电压降低。例如,如果标称输入为5Vdc,它可将电压转换为3.3Vdc。SJqednc

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2:异步降压转换器的功能框图(图片来源村田制作所)SJqednc

如果来看2,SW1通常是一个用PWM信号驱动的晶体管,SW2则代表一个二极管。当SW1“导通”时,有电流通过,并且将能量存储在电感器中。相反,当SW1处于“关闭”状态时,电流流过二极管而使能量释放,同时提供所需的输出电压。请记住,降压转换器的输出电压取决于PWM信号的占空比,参见3SJqednc

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3PWM信号的占空比影响降压控制器的输出电压。(图片来源:村田制作所)SJqednc

在同步降压拓扑结构中,二极管由FET代替,并由异相信号驱动。由于FET降低了正向电阻,可以降低损耗,从而提高效率,因此受到广泛采用。SJqednc

升压

对于升压转换器,则是输出电压高于输入电压。电压水平升高的大小取决于多种因素。对于大多数设计而言,最大升压为5倍,但最常见的是采用3倍升压,这样就可优化输出电压稳定,参见4SJqednc

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4:升压转换器的基本功能示意框图。(图片来源Recom)SJqednc

2所示的降压转换器拓扑结构相比,S1(开关晶体管)、L1(电感器)和D1(二极管)的布局位置略有不同。当S1“导通”时,能量存储在L1中。当其“关断”时,这一能量就会加到输入电容器两端的输入电压上,并添加到输出电容器上。SJqednc

由于以上讨论的降压和升压转换器拓扑结构没有经过隔离,因此任何输入电压都可能反应到输出端。例如,如果DC/DC转换器是由交流电源供电,那么系统故障就可能使这个电压出现在输出端,进而就有可能导致潜在的致命后果,具体取决于最终应用。对于医疗和保健应用,在输入和输出之间增加电流隔离,就可以消除这种风险。在接地不常见的情况下,实现电流隔离的一种方法是使用变压器。SJqednc

隔离式反激

在隔离式反激拓扑结构中,变压器有两种功能:储存能量和提供隔离。这种拓扑也许是所有DC/DC电源中最简单的一种,所需要的元器件数量相对较少,参见5SJqednc

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5:隔离式反激转换器的简化原理图。(图片来源:维基百科)SJqednc

隔离式反激转换器通常适合于50W以下的电源应用,以及可以承受相对较高纹波电流的应用。由于变压器会产生初级到次级损耗,大多数反激式转换器很少能达到90%以上的效率。尽管如此,通过增加或减少变压器的匝数比,可以获得更广范围的输出电压。此外,添加更多的次级绕组,可以提供多个输出电压。SJqednc

其他常见拓扑

推挽式、半桥式和全桥式转换器也都是隔离式开关拓扑结构,并经常受到使用。推挽式适用于更大功率的应用,它使用两个开关器件并且两者共用同一电流。这种配置使用分离的中心抽头初级和次级绕组,因此需要更昂贵的变压器。与推挽式一样,半桥和全桥拓扑只需要一个初级绕组。半桥使用两个开关器件,而全桥则使用四个,参见6SJqednc

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6:全桥隔离式DC/DC转换器的简化原理图。SJqednc

稳压方案

除了要为DC/DC转换器设计选择特定的拓扑以外,另一个重要的考虑因素就是如何使输出电压稳定。处理器由于其计算工作负载会发生变化,因此就必须确保其在所有负载条件下都得到严格稳压。在这种情况下,将输出电压反馈到PWM开关功能而使占空比发生改变的过程,必须要快速而精确。大多数DC/DC转换器控制IC现在都包含此项功能,因此,对于非隔离拓扑结构,这项工作很容易完成。SJqednc

但是,要使输入到输出保持隔离,需要使用变压器或光耦合器等额外的元器件,这就会提高BOM成本以及对PCB空间的要求。使用更多元器件,还会增加设计的复杂性,进而可能影响最终产品的整体可靠性。SJqednc

一种更简单的稳压方法,是使用初级侧检测。在此,控制器IC在反激“关断”期间通过变压器检测次级输出。Maxim MAX17687的“无光耦”反激式控制器IC,就是一个很好的例子,参见7。它有两个片上MOSFET,可以驱动3.2A的初级峰值电流。SJqednc

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7Maxim MAX17687无光耦反激式转换器16V60V电源的条件下,可产生12V/750mA的输出。(图片来源Maxim)SJqednc

通过使用这种检测方法,输出电压可稳定在±1.2%以内。这款IC的PWM频率也可以编程(100kHz到500kHz),并且通常可实现超过90%的转换效率。SJqednc

对于使用分立式DC/DC转换器,一种非常具有吸引力的替代方法就是使用模块。使用模块可以简化整体设计工作,从而节省工程时间。选择符合EMC/EMI和所需安全标准要求的预认证模块,还可以简化产品认证过程。SJqednc

村田制作所UWS-Q12裸板隔离式反激DC/DC转换器模块,就是一个很好的例子。该系列模块涵盖3.3V到24V的常用标称单输出电压,在9V到36V输入的条件下可提供高达54W的功率,效率则高达91%。它还具有广泛的保护功能,包括输入欠压保护和过热电路保护,并已通过UL/EN60950-1安全认证。SJqednc

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8村田制作所UWS-Q12系列隔离式DC/DC转换器。(图片来源:村田制作所)SJqednc

如果需要在现有设计中替换掉低效率的线性稳压器,Traco TSR 1.5E系列这一1.5A的器件,就非常方便。它采用降压非隔离式拓扑,可实现高达97%的效率,并可适应7V到36V的宽输入工作电压范围。小尺寸的SIP 3裸板模块,提供了三种输出选择:3.3V、5.0V和12V。SJqednc

与标准的同步降压技术相比,德州仪器(TI)的DCS-Control技术可实现更快的瞬态响应以及更好的稳压和纹波特性。该转换器既可作为独立器件TPS6282x供货,也可作为带集成式电感器的模块TPSM8282x供货,参见9SJqednc

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9TITPSM82821降压转换器模块集成了TPS6282x控制器IC(图片来源TI)SJqednc

简单的电源转换

本文讨论了三种最流行的DC/DC电源转换拓扑,并重点介绍了一些产品示例。对于DC/DC电源转换,转换器IC是节省空间和降低BOM成本的首选。集成了开关晶体管或FET的小功率转换器IC,可广泛应用于许多工业、商业和消费产品应用中。然而,带有集成式电感器的DC/DC转换器模块,则是一种易于集成和采购的、非常具有吸引力的替代方案。SJqednc

(原文标题:Understanding power conversion and the popular topologies used。责编:赵明灿。)SJqednc

本文为《电子技术设计》2021年11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SJqednc

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