了解DC-DC转换的基础

日期:2020-01-24
 
随着分布式电源的出现,DC-DC转换比以往任何时候都更加重要。 本文介绍了可供设计师使用的一些选项。
作者:Mark Patrick,Mouser Electronics 
 
当Allesandro Volta用铜、锌盘和浸有盐水的纸板制成电池时,这是一种新颖的事物,所产生的低功率DC几乎没有实际应用。 随着人们对电的了解越来越多,并且发现旋转的磁体可以在电线中感应出交流电,因此打开了发电的世界。 交流电适用于照明、加热和驱动电动机,并且使用变压器,可以升高和降低电压。
DC开始有用途。 与AC不同,电荷可以存储在电池或电容器中,例如,在较新的设计从线路本身取电之前为第一部电话供电。 如果需要特定的DC电压,则可以串联电池。 如果您确实需要大功率DC,则可以使用DC电动发电机组和两者之间的机械传动装置来产生不同的电压。
随着电子设备的出现,需要不同的DC电平,例如真空管的150V,工程师开始考虑如何以电子方式上下转换DC电压。 DC-DC转换器概念诞生了。
 
 
当今的DC-DC转换器
当今DC-DC转换器的应用分为不同的类别:隔离和非隔离、升压和降压或两者。 该模块可在所有功率级别上使用,以实现该功能,并且许多模块已成为“商品”部件。
首先,我们定义“隔离”的含义:如果输入和输出之间存在电气连接(通常是接地),则该部件是非隔离的。 隔离的部件具有一个内部变压器,该变压器通过能量在输入和输出之间传递能量,因此输出可以相对于输入“浮动”(图1)。 稍后我们将考虑隔离级别。
 
图1:DC-DC转换器可以是隔离的也可以是非隔离的
 
非隔离式DC-DC转换器
最简单的非隔离式DC-DC转换器是一个串联电阻,但由于电压降会随负载电流而变化,因此并不是很有用,因此实际电路中会使用一个晶体管来降低电压,并通过反馈控制该电压保持恒定。这是一种“线性”稳压器,通常以三端TO-220封装提供。但是,问题在于电压只能降低而不是升高,并且该器件会消耗大量功率,输入和输出电压之差乘以负载电流。解决方案是“开关模式”稳压器,其晶体管要么完全导通,要么完全关闭,在两种情况下都消耗很少的功率,通过电感器和电容器将电压脉冲传递到输出,从而使脉冲“平滑”返回直流。通过改变脉冲宽度来控制输出电压。线性电路的效率提高是惊人的(图2),一个不错的功能是,开关模式稳压器也可以配置为增加电压,从而成为“升压”转换器。当它只是降低电压时,它就是一个“降压”转换器。
 
图2:线性和开关模式损耗比较
 
还有其他一些可以产生负输出电压(降压-升压)的产品,还有“ SEPIC”电路可以产生高于或低于正输入的正输出电压。 这在电池应用中非常有用,在这些应用中,随着电池放电,负载电压必须保持恒定(图3)。
 
图3:SEPIC转换器概述
 
以最小的尺寸实现最高效率是许多电路的驱动器,而DC-DC转换至关重要。有用的是,当您增加开关模式转换器中的脉冲频率时,电感器和电容器会缩小。但是,另一个效果是,晶体管在每个开关沿的功耗很小,而每秒(频率)的开关沿越多,功耗就越大。因此,效率和尺寸往往是对立的。磁性元件技术几乎没有改善,但最新的宽带隙半导体,例如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)承诺每个开关沿的耗散更少,因此具有更高的频率操作和更小的磁性元件。该技术允许非隔离式DC-DC在输出电流达到100A或更高时提供超过95%的效率。一个例子就是TI的PTH04040W器件,额定电流为60A,其输出在0.8V-2.5V范围内可调,输入范围为2.95V-5.5V,而封装尺寸仅为51.94 x 26.54mm。
模块化升压转换器不太常见,但一个示例可能是GE Critical Power的ABXS002A3X41-SRZ,它可将8-16V输入转换为2.3A时的16-34V输出,面积27.9 x 11.4mm。
非隔离DC-DC通常被称为“负载点”(PoL)转换器,因为它们可以直接放置在处理器或FPGA的典型负载上,从而使负载电压尽可能准确。 最复杂的类型将具有许多功能,例如数字控制,因此可以“动态”改变性能以适应负载条件,通常可以通过具有标准协议(例如PMBus)的I2C线路进行设置。 VRM(电压调节器模块)是满足IC制造商特定要求(例如来自Intel)的特殊类型的PoL。
 
隔离式DC-DC转换器
出于各种原因可能需要隔离; 通常,将输入和输出地分开是很方便的,这样电流路径可以分开并且不会相互作用。 通常为RS485接口供电时,隔离的电源轨为驱动器提供了动力,可阻止电流在主机和相连设备的接地之间流动(图4)。
 
图4:隔离的RS485接口
 
具有“浮动”输出还可以将负载接地点连接到任一DC-DC输出端子,例如,通过将正输出接地可以将浮动12V配置为-12V。 同样,可以将12V电压“叠加”在另一个电压上(输入电压为12V),以提供24V的总电压,这对于小型电机驱动器可能很有用(图5)。
 
图5.将隔离的输出“叠加”到另一个电压上
 
通过变压器的耦合功率还可以提供一定的抗电磁干扰能力,特别是共模类型接地连接上相对于本地接地的噪声。
隔离的一个重要原因通常是安全性。 您可能会认为,如果DC-DC的输入和输出电压较低,则安全性不是问题。 但是,DC-DC中的隔离栅通常用作更广泛的绝缘系统的一部分,以实现总体安全等级。 一个极端的例子是在医疗“患者连接”应用中(图6)。 在此,DC-DC转换器必须具有完整的医疗额定隔离度,才能获得最高的系统电压(也许为230VAC)。 理由是连接到患者的其他设备可能无法对患者施加危险电压。 然后,DC-DC可以提供一条路径,使致命电流通过“未指定的连接”流回源设备,因此,它必须具有较高的绝缘等级。
 
图6:DC-DC需要“两种保护措施”
 
具有此规范的医疗应用DC-DC将在适当的系统电压下具有两个“患者保护措施”(MOPP),例如Traco Power的THM 30WI系列。
宣传许多DC-DC转换器具有的隔离额定值简称为电压,也许是“ 3kVDC”。 用户应小心; 这仅是工厂的“测试”电压,尽管它表示屏障的坚固性,除非引用了特定的安全机构隔离级别,例如“基本”,“加强”或医疗“保护措施”,否则DC-DC应该不能用作安全隔离系统的一部分。 即使引用了诸如“ EN 60950加强型”这样的标准,也必须指定系统电压——在30 VAC系统电压下增强对230 VAC系统而言没有任何安全屏障。
隔离式DC-DC转换器有多种形式,其中最简单的低功率类型通常没有调节能力,它们是“比例”转换器——输出与输入成比例变化。 这些部件价格低廉,可为接口或模拟电路提供“现场”电压。 但是,它们通常确实具有最低负载要求,因为它们的空载输出电压可能远远高于标称值。 这些零件在其额定负载下可能是有效的,但在轻负载下却要低得多,可能不到50%。 通过精心设计,这些DC-DC类型可提供高性能和良好的机构额定隔离度,例如Murata 2W表面贴装NXJ2系列。
具有主动调节功能的DC-DC转换器可以接受变化的输入和负载,同时保持严格的输出电压调节能力。 2:1输入变化曾经是标准电压,例如18-36V,但现在提供的零件具有5:1或更高的宽输入电压,例如Bel Power的CM1901-9RG,适用于具有极端输入骤降和浪涌的铁路应用。
 
DC-DC转换器规格
在选择DC-DC转换器时,通常首先要考虑环境因素:是否需要隔离,如果需要,则隔离到什么安全机构级别? 最高环境温度是多少?是否有气流? 引用的工作温度通常会降额——没有明显的气流,10W的转换器在最高温度85°C时只能产生3W。
效率始终是头条要求,并取决于工作温度。 效率随负载的变化也很重要,尽管大多数用户以低于100%的额定值运行器件,此时效率可能会低得多。
EMI电平随DC-DC转换器类型而变化。 与AC-DC转换器不同,没有法定的辐射水平,可能需要额外的外部滤波。 小型低成本转换器在需要大型昂贵的滤波器以将噪声降低到可接受水平时可能没有吸引力。
现在也许您会考虑实际的输入和输出电压和安培,但不要忘记保护功能; 从长期来看,通过Mouser购买的优质供应商提供的强大转换器可以节省成本。
www.mouser.com

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