電源設(shè)計(jì)中,較常見的非隔離拓?fù)?/h1>
在設(shè)計(jì)電源時,首先要回答的問題是「是否需要電流隔離?」使用電流隔離可以使電路更安全,抗干擾能力較強(qiáng),容易實(shí)現(xiàn)升降壓轉(zhuǎn)換,及較易實(shí)現(xiàn)多路輸出和很寬的輸入電壓范圍。兩種最常見隔離電源的拓?fù)湫问绞恰阜醇ぁ购汀刚颉?。但是為了獲得更高的功率輸出,可以使用其他隔離拓?fù)淙纭竿仆臁?、「半橋」和「全橋」。?shí)際上,如果不需要電流隔離,工程師會盡量使用非隔離電源,因?yàn)楦綦x的拓?fù)湫问娇偸切枰儔浩骰蝾~外的線路,而且這種設(shè)備往往會增加成本和體積較大,通常很難滿足定制電源的需求。
本文引用地址:http://cafeforensic.com/article/202403/456906.htm較常見的降壓轉(zhuǎn)換器 (Buck)最常見非隔離式開關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是降壓轉(zhuǎn)換器。它將正輸入電壓轉(zhuǎn)換為低于輸入電壓的輸出電壓。其結(jié)構(gòu)簡單,只需要兩個開關(guān)、一個電感器和兩個電容器,如圖 1 所示。高側(cè)開關(guān)從輸入端產(chǎn)生脈沖電流并產(chǎn)生一個開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓,該電壓在輸入電壓和地之間來回震蕩。之后,使用LC 濾波器產(chǎn)生直流輸出電壓。根據(jù)控制高端開關(guān)PWM信號的占空比,產(chǎn)生不同電平的直流輸出電壓。這種 DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器非常省電,設(shè)計(jì)亦相對簡單,并且需要的元器件很少。
圖 1. 降壓轉(zhuǎn)換器的概覽圖 ( 圖片來源 : ADI)
設(shè)計(jì)低噪聲系統(tǒng)時要留意,降壓轉(zhuǎn)換器在輸入側(cè)產(chǎn)生脈沖電流,而輸出側(cè)有來自電感器的連續(xù)電流。這就是降壓穩(wěn)壓器在輸入端噪聲很大而在輸出端噪聲不大的原因。
升壓轉(zhuǎn)換器 (Boost)
除了降壓外,另一種常見拓?fù)涫巧龎?。它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由五個基本功率元件組成,與降壓轉(zhuǎn)換器的拓?fù)溆悬c(diǎn)不同,如圖 2所示。
圖 2. 升壓轉(zhuǎn)換器的概覽圖 ( 圖片來源 : ADI)
選擇升壓轉(zhuǎn)換器時,需要留意數(shù)據(jù)表上較普遍列出最大額定開關(guān)電流而不是最大輸出電流。在降壓轉(zhuǎn)換器中,最大開關(guān)電流與可實(shí)現(xiàn)的最大輸出電流直接相關(guān),但與輸入電壓和輸出電壓之間的電壓比無關(guān)。在升壓穩(wěn)壓器中,電壓比是根據(jù)固定的最大開關(guān)電流而直接影響可能的最大輸出電流。所以在選擇合適的升壓穩(wěn)壓器時,工程師不僅需要了解所需的輸出電流,還需要了解系統(tǒng)需要的輸入和輸出電壓。
升壓轉(zhuǎn)換器的輸入端噪聲非常低,因?yàn)榕c輸入端連接的電感可防止電流快速變化。然而,輸出端噪聲較大,因?yàn)長C濾波器位于輸入端,我們會看到脈沖電流流向外部開關(guān),造成輸出紋波。因此與降壓拓?fù)湎啾?,輸出紋波更受關(guān)注。
反相降壓 - 升壓穩(wěn)壓器 (Inverting)
第三種常見拓?fù)涫欠聪嘟祲?升壓轉(zhuǎn)換器,由這五個元件組成。該名稱源于該轉(zhuǎn)換器采用正輸入電壓并將其轉(zhuǎn)換為負(fù)輸出電壓的事實(shí)。除此之外,輸入電壓可能大于或少于反相輸出電壓的絕對值。例如,輸入端的 5V 或 24V 可能會產(chǎn)生 -12V 輸出電壓。這是可行而無需進(jìn)行任何特殊的電路修改,如下圖 3所示。
圖 3. 反相降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器 的概覽圖 ( 圖片來源 : ADI)
在反相降壓-升壓拓?fù)渲?,電感從開關(guān)節(jié)點(diǎn)連接到地。轉(zhuǎn)換器的輸入端和輸出端都看到脈沖電流,輸出電流是不連續(xù)的,使反相降壓/升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓往往噪聲較大,所以在低噪聲應(yīng)用中,可以通過增加額外的輸入和輸出濾波來補(bǔ)償。
反相降壓-升壓拓?fù)湓?a class="contentlabel" href="http://cafeforensic.com/news/listbylabel/label/電源設(shè)計(jì)">電源設(shè)計(jì)
中有一個好處,就是任何降壓穩(wěn)壓器均可應(yīng)用此拓?fù)?。?ADI 的 ADP2441 或 ADP2442 ,為了將降壓穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換為反相降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),電感和輸出電容應(yīng)以與降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相似的方式連接,如圖4所示。圖 4. ADP2441/ADP2442 實(shí)現(xiàn)的反相降壓 - 升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ( 圖片來源 : ADI)
專業(yè)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
除了以上三種常見非隔離開關(guān)電源拓?fù)渲猓€有更多的拓?fù)淙鏢EPIC、Zeta、?uk 和 4 開關(guān)降壓-升壓。相比以上三種開關(guān)電源拓?fù)涠?,這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都需要額外置多一些有電源組件,會增加產(chǎn)品成本,功率轉(zhuǎn)換效率亦會降低。一般而言,在電路中添加額外元器件會增加損耗。以下簡單列出這四款不同拓?fù)涞囊恍┳钪匾δ堋?/p>
SEPIC
單端初級電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)允許輸出電壓大于或小于輸入電壓的電壓轉(zhuǎn)換,輸出電壓由主控開關(guān)(三極管或MOS管)的占空比控制。升壓穩(wěn)壓器升壓穩(wěn)壓器 IC 可用于設(shè)計(jì) SEPIC 電源電路。要留意,這種拓?fù)湓陔娐分行枰矶囝~外元件(電感和電容),如圖 7所示.
Zeta
Zeta轉(zhuǎn)換器與SEPIC轉(zhuǎn)換器類似,如 LT8471 Zeta 和 SEPIC 拓?fù)涞暮喕韴D (圖 5) 所示,都需要兩個電感(L1A和、兩L1B)、兩個開關(guān)(Q1 和 D1 )和一個電容器(CF)。 Zeta轉(zhuǎn)換器能夠產(chǎn)生正或負(fù)輸出電壓,此外,它沒有右半平面零 (RHPZ) 問題存在,從而簡化了調(diào)節(jié)回路。
右半平面零 (RHPZ)
含有右半平面零點(diǎn)(RHPZ)的開關(guān)DC-DC變換器發(fā)生占空比突變時,暫態(tài)過程會出現(xiàn)負(fù)調(diào)現(xiàn)象,該現(xiàn)象會導(dǎo)致系統(tǒng)暫態(tài)性能變差,負(fù)調(diào)持續(xù)時間段系統(tǒng)易形成正反饋而出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象,傳統(tǒng)的頻域法無法直接進(jìn)行控制器設(shè)計(jì),因此對其進(jìn)行控制較最小相位系統(tǒng)困難的多。
圖 5. Zeta 和 SEPIC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ( 圖片來源 : ADI)
?uk
?uk 轉(zhuǎn)換器可將正輸入電壓轉(zhuǎn)換為負(fù)輸出電壓。它使用兩個電感器,一個在輸入側(cè),一個在輸出側(cè),因此輸入和輸出側(cè)的噪聲非常低,可是,支持這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的器件并不多,因?yàn)檎{(diào)節(jié)環(huán)路需要一個負(fù)電壓反饋引腳。如 ADI 的 LT8331,它需要在輸入和輸出之間使用兩個電感器和一個耦合電容器 (C5)。 耦合或阻塞電容器從電路的輸入側(cè)接收能量并將其傳輸?shù)诫娐返妮敵鰝?cè)。 在穩(wěn)態(tài)條件下(即上電后),該電容器兩端的電壓是恒定的,大約等于 VIN,如圖6所示。
圖 6. LT8331 實(shí)現(xiàn)的 ?uk 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ( 圖片來源 : ADI)
四開關(guān)降壓 - 升壓
這種類型的轉(zhuǎn)換器近年來變得非常流行。四開關(guān)降壓-升壓從正輸入電壓中提供正輸出電壓,該 輸入電壓可能高于或低于調(diào)整后的輸出電壓。這類型的轉(zhuǎn)換器能夠提供更高的電源轉(zhuǎn)換效率并且只需要一個電感器,所以該轉(zhuǎn)換器可以取代了 SEPIC 的設(shè)計(jì)。如 ADI 的 LT8705 ,它是一款同步四開關(guān)降壓-升壓控制器,運(yùn)用輸入和輸出側(cè)各兩個開關(guān),使用穩(wěn)健的同步開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),以高效率為恒壓或恒流應(yīng)用提供高功率輸出。如圖7所示。
圖 7. LT8705 實(shí)現(xiàn)的四開關(guān)降壓 - 升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ( 圖片來源 : ADI)
在設(shè)計(jì)電源時,首先要回答的問題是「是否需要電流隔離?」使用電流隔離可以使電路更安全,抗干擾能力較強(qiáng),容易實(shí)現(xiàn)升降壓轉(zhuǎn)換,及較易實(shí)現(xiàn)多路輸出和很寬的輸入電壓范圍。兩種最常見隔離電源的拓?fù)湫问绞恰阜醇ぁ购汀刚颉?。但是為了獲得更高的功率輸出,可以使用其他隔離拓?fù)淙纭竿仆臁?、「半橋」和「全橋」。?shí)際上,如果不需要電流隔離,工程師會盡量使用非隔離電源,因?yàn)楦綦x的拓?fù)湫问娇偸切枰儔浩骰蝾~外的線路,而且這種設(shè)備往往會增加成本和體積較大,通常很難滿足定制電源的需求。
本文引用地址:http://cafeforensic.com/article/202403/456906.htm較常見的降壓轉(zhuǎn)換器 (Buck)最常見非隔離式開關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是降壓轉(zhuǎn)換器。它將正輸入電壓轉(zhuǎn)換為低于輸入電壓的輸出電壓。其結(jié)構(gòu)簡單,只需要兩個開關(guān)、一個電感器和兩個電容器,如圖 1 所示。高側(cè)開關(guān)從輸入端產(chǎn)生脈沖電流并產(chǎn)生一個開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓,該電壓在輸入電壓和地之間來回震蕩。之后,使用LC 濾波器產(chǎn)生直流輸出電壓。根據(jù)控制高端開關(guān)PWM信號的占空比,產(chǎn)生不同電平的直流輸出電壓。這種 DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器非常省電,設(shè)計(jì)亦相對簡單,并且需要的元器件很少。
圖 1. 降壓轉(zhuǎn)換器的概覽圖 ( 圖片來源 : ADI)
設(shè)計(jì)低噪聲系統(tǒng)時要留意,降壓轉(zhuǎn)換器在輸入側(cè)產(chǎn)生脈沖電流,而輸出側(cè)有來自電感器的連續(xù)電流。這就是降壓穩(wěn)壓器在輸入端噪聲很大而在輸出端噪聲不大的原因。
升壓轉(zhuǎn)換器 (Boost)
除了降壓外,另一種常見拓?fù)涫巧龎?。它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由五個基本功率元件組成,與降壓轉(zhuǎn)換器的拓?fù)溆悬c(diǎn)不同,如圖 2所示。
圖 2. 升壓轉(zhuǎn)換器的概覽圖 ( 圖片來源 : ADI)
選擇升壓轉(zhuǎn)換器時,需要留意數(shù)據(jù)表上較普遍列出最大額定開關(guān)電流而不是最大輸出電流。在降壓轉(zhuǎn)換器中,最大開關(guān)電流與可實(shí)現(xiàn)的最大輸出電流直接相關(guān),但與輸入電壓和輸出電壓之間的電壓比無關(guān)。在升壓穩(wěn)壓器中,電壓比是根據(jù)固定的最大開關(guān)電流而直接影響可能的最大輸出電流。所以在選擇合適的升壓穩(wěn)壓器時,工程師不僅需要了解所需的輸出電流,還需要了解系統(tǒng)需要的輸入和輸出電壓。
升壓轉(zhuǎn)換器的輸入端噪聲非常低,因?yàn)榕c輸入端連接的電感可防止電流快速變化。然而,輸出端噪聲較大,因?yàn)長C濾波器位于輸入端,我們會看到脈沖電流流向外部開關(guān),造成輸出紋波。因此與降壓拓?fù)湎啾?,輸出紋波更受關(guān)注。
反相降壓 - 升壓穩(wěn)壓器 (Inverting)
第三種常見拓?fù)涫欠聪嘟祲?升壓轉(zhuǎn)換器,由這五個元件組成。該名稱源于該轉(zhuǎn)換器采用正輸入電壓并將其轉(zhuǎn)換為負(fù)輸出電壓的事實(shí)。除此之外,輸入電壓可能大于或少于反相輸出電壓的絕對值。例如,輸入端的 5V 或 24V 可能會產(chǎn)生 -12V 輸出電壓。這是可行而無需進(jìn)行任何特殊的電路修改,如下圖 3所示。
圖 3. 反相降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器 的概覽圖 ( 圖片來源 : ADI)
在反相降壓-升壓拓?fù)渲?,電感從開關(guān)節(jié)點(diǎn)連接到地。轉(zhuǎn)換器的輸入端和輸出端都看到脈沖電流,輸出電流是不連續(xù)的,使反相降壓/升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓往往噪聲較大,所以在低噪聲應(yīng)用中,可以通過增加額外的輸入和輸出濾波來補(bǔ)償。
反相降壓-升壓拓?fù)湓?a class="contentlabel" href="http://cafeforensic.com/news/listbylabel/label/電源設(shè)計(jì)">電源設(shè)計(jì)
中有一個好處,就是任何降壓穩(wěn)壓器均可應(yīng)用此拓?fù)?。?ADI 的 ADP2441 或 ADP2442 ,為了將降壓穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換為反相降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),電感和輸出電容應(yīng)以與降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相似的方式連接,如圖4所示。圖 4. ADP2441/ADP2442 實(shí)現(xiàn)的反相降壓 - 升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ( 圖片來源 : ADI)
專業(yè)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
圖 1. 降壓轉(zhuǎn)換器的概覽圖 ( 圖片來源 : ADI)
圖 2. 升壓轉(zhuǎn)換器的概覽圖 ( 圖片來源 : ADI)
圖 3. 反相降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器 的概覽圖 ( 圖片來源 : ADI)
圖 4. ADP2441/ADP2442 實(shí)現(xiàn)的反相降壓 - 升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ( 圖片來源 : ADI)
除了以上三種常見非隔離開關(guān)電源拓?fù)渲猓€有更多的拓?fù)淙鏢EPIC、Zeta、?uk 和 4 開關(guān)降壓-升壓。相比以上三種開關(guān)電源拓?fù)涠?,這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都需要額外置多一些有電源組件,會增加產(chǎn)品成本,功率轉(zhuǎn)換效率亦會降低。一般而言,在電路中添加額外元器件會增加損耗。以下簡單列出這四款不同拓?fù)涞囊恍┳钪匾δ堋?/p>
SEPIC
單端初級電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)允許輸出電壓大于或小于輸入電壓的電壓轉(zhuǎn)換,輸出電壓由主控開關(guān)(三極管或MOS管)的占空比控制。升壓穩(wěn)壓器升壓穩(wěn)壓器 IC 可用于設(shè)計(jì) SEPIC 電源電路。要留意,這種拓?fù)湓陔娐分行枰矶囝~外元件(電感和電容),如圖 7所示.
Zeta
Zeta轉(zhuǎn)換器與SEPIC轉(zhuǎn)換器類似,如 LT8471 Zeta 和 SEPIC 拓?fù)涞暮喕韴D (圖 5) 所示,都需要兩個電感(L1A和、兩L1B)、兩個開關(guān)(Q1 和 D1 )和一個電容器(CF)。 Zeta轉(zhuǎn)換器能夠產(chǎn)生正或負(fù)輸出電壓,此外,它沒有右半平面零 (RHPZ) 問題存在,從而簡化了調(diào)節(jié)回路。
右半平面零 (RHPZ)
含有右半平面零點(diǎn)(RHPZ)的開關(guān)DC-DC變換器發(fā)生占空比突變時,暫態(tài)過程會出現(xiàn)負(fù)調(diào)現(xiàn)象,該現(xiàn)象會導(dǎo)致系統(tǒng)暫態(tài)性能變差,負(fù)調(diào)持續(xù)時間段系統(tǒng)易形成正反饋而出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象,傳統(tǒng)的頻域法無法直接進(jìn)行控制器設(shè)計(jì),因此對其進(jìn)行控制較最小相位系統(tǒng)困難的多。
圖 5. Zeta 和 SEPIC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ( 圖片來源 : ADI)
?uk
?uk 轉(zhuǎn)換器可將正輸入電壓轉(zhuǎn)換為負(fù)輸出電壓。它使用兩個電感器,一個在輸入側(cè),一個在輸出側(cè),因此輸入和輸出側(cè)的噪聲非常低,可是,支持這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的器件并不多,因?yàn)檎{(diào)節(jié)環(huán)路需要一個負(fù)電壓反饋引腳。如 ADI 的 LT8331,它需要在輸入和輸出之間使用兩個電感器和一個耦合電容器 (C5)。 耦合或阻塞電容器從電路的輸入側(cè)接收能量并將其傳輸?shù)诫娐返妮敵鰝?cè)。 在穩(wěn)態(tài)條件下(即上電后),該電容器兩端的電壓是恒定的,大約等于 VIN,如圖6所示。
圖 6. LT8331 實(shí)現(xiàn)的 ?uk 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ( 圖片來源 : ADI)
四開關(guān)降壓 - 升壓
這種類型的轉(zhuǎn)換器近年來變得非常流行。四開關(guān)降壓-升壓從正輸入電壓中提供正輸出電壓,該 輸入電壓可能高于或低于調(diào)整后的輸出電壓。這類型的轉(zhuǎn)換器能夠提供更高的電源轉(zhuǎn)換效率并且只需要一個電感器,所以該轉(zhuǎn)換器可以取代了 SEPIC 的設(shè)計(jì)。如 ADI 的 LT8705 ,它是一款同步四開關(guān)降壓-升壓控制器,運(yùn)用輸入和輸出側(cè)各兩個開關(guān),使用穩(wěn)健的同步開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),以高效率為恒壓或恒流應(yīng)用提供高功率輸出。如圖7所示。
圖 7. LT8705 實(shí)現(xiàn)的四開關(guān)降壓 - 升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ( 圖片來源 : ADI)
評論