直流-直流(DC/DC)變換器

DC-DC converter

直流—直流變換器（DC-DC）是一種將直流基礎(chǔ)電源轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌妷悍N類的直流變換裝置。目前通信設(shè)備的直流基礎(chǔ)電源電壓規(guī)定為?48V，由于在通信系統(tǒng)中仍存在?24V（通信設(shè)備）及 12V、 5V（集成電路）的工作電源，因此，有必要將?48V基礎(chǔ)電源通過直流—直流變換器變換到相應(yīng)電壓種類的直流電源，以供實際使用。

DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。斬波器的工作方式有兩種，一是脈寬調(diào)制方式Ts不變，改變ton(通用)，二是頻率調(diào)制

（1）Buck電路——降壓斬波器，其輸出平均電壓U0小于輸入電壓Ui，極性相同。

（2）Boost電路——升壓斬波器，其輸出平均電壓U0大于輸入電壓Ui，極性相同。

（3）Buck－Boost電路——降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓U0大于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電感傳輸。

（4）Cuk電路——降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓U0大于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電容傳輸。

還有Sepic、Zeta電路。

上述為非隔離型電路，隔離型電路有正激電路、反激電路、半橋電路、全橋電路、推挽電路。

AC/DC變換是將交流變換為直流，其功率流向可以是雙向的，功率流由電源流向負(fù)載的稱為“整流”，功率流由負(fù)載返回電源的稱為“有源逆變”。AC/DC變換器輸入為50/60Hz的交流電，因必須經(jīng)整流、濾波，因此體積相對較大的濾波電容器是必不可少的，同時因遇到安全標(biāo)準(zhǔn)（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、、FCC、CSA），交流輸入側(cè)必須加EMC濾波及使用符合安全標(biāo)準(zhǔn)的元件，這樣就限制AC/DC電源體積的小型化，另外，由于內(nèi)部的高頻、高壓、大電流開關(guān)動作，使得解決EMC電磁兼容問題難度加大，也就對內(nèi)部高密度安裝電路設(shè)計提出了很高的要求，由于同樣的原因，高電壓、大電流開關(guān)使得電源工作損耗增大，限制了AC/DC變換器模塊化的進(jìn)程，因此必須采用電源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法才能使其工作效率達(dá)到一定的滿意程度。

直流-直流(DC/DC)變換器調(diào)制方法

開關(guān)管導(dǎo)通時，輸出電壓等于輸入電壓Ud；開關(guān)管斷開時，輸出電壓等于0。輸出電壓波形如上圖所示，輸出電壓的平均值Uo為(4-1)式中Ts—開關(guān)周期D—開關(guān)占空比，?改變負(fù)載端輸出電壓有3種調(diào)制方法：

1．開關(guān)周期Ts保持不變，改變開關(guān)管導(dǎo)通時間ton。也稱為脈寬調(diào)制(PWM)。?

2．開關(guān)管導(dǎo)通時間ton保持不變，改變開關(guān)周期Ts。?

3. 改變開關(guān)管導(dǎo)通時間ton，同時也改變開關(guān)周期Ts。

方式1的PWM是最常見的調(diào)制方式，這主要是因為后2種方式改變了開關(guān)頻率，而輸出級濾波器是根據(jù)開關(guān)頻率設(shè)計的，顯然，方式1有較好的濾波效果。

直流-直流(DC/DC)變換器調(diào)制方式

?圖4-2(a)是脈寬調(diào)制方式的控制原理圖。給定電壓與實際輸出電壓經(jīng)誤差放大器得到誤差控制信號uco，該信號與鋸齒波信號比較得到開關(guān)控制信號，控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，得到期望的輸出電壓。圖4-2(b)給出了脈寬調(diào)制的波形。鋸齒波的頻率決定了變換器的開關(guān)頻率。一般選擇開關(guān)頻率在幾千赫茲到幾百千赫之間。

直流-直流(DC/DC)變換器工作原理

直流—直流變換器是將直流電先逆變（升壓或降壓）成交流電，然后再整流變換成另一種直流電壓的直流變換裝置。常用的直流—直流變換設(shè)備一般是由直流—直流變換模塊、監(jiān)控模塊以及與之配套的用戶接口板和直流配電單元等組成的一個完整的電源系統(tǒng)。

系統(tǒng)中多個直流—直流變換模塊并聯(lián)均分負(fù)荷運行，將?48V直流電壓變換成?24V（或 12V、 5V）直流電壓，再經(jīng)輸出分路保險向負(fù)載輸出；監(jiān)控模塊負(fù)責(zé)對變換器模塊及整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)及性能進(jìn)行監(jiān)控，并通過RS232通信口納入上一級監(jiān)控系統(tǒng)。

變換器模塊負(fù)責(zé)將?48V直流電壓轉(zhuǎn)換為?24V直流電壓，由功率電路和控制電路兩大部分組成。功率電路實現(xiàn)從直流輸入到直流輸出的變換；控制電路提供功率變換所需的一切控制信號，包括反饋回路、直流信號處理、模擬量和開關(guān)量的處理電路等。

功率電路上主要包括直流輸入濾波電路、直流—直流變換電路、直流輸出濾波電路及輔助電源的部分。

直流輸入濾波電路包含有防浪涌器件、差模、共模濾波器等。遇有雷擊或其他高壓浪涌時，壓敏電阻和瞬態(tài)電壓抑制器可保護(hù)變換器免受沖擊。差模濾波器和共模濾波器可有效抑制模塊內(nèi)部產(chǎn)生的高頻噪聲，同時也使來自直流輸入電源的干擾不會影響模塊的正常工作。

直流—直流變換電路主要包括變換電路和整流輸出電路，是整個變換模塊的重要組成部分。

輔助電源電路為控制電路提供直流工作電壓，同時還提供直流輸入電壓取樣。

控制電路主要包括直流—直流變換控制電路，保護(hù)電路、輸出電壓誤差放大電路以及數(shù)字顯示、告警、通信電路等。

其工作原理為：輸出經(jīng)過FB（反饋電路）接到FB pin采樣放大器，反饋電壓VFB與設(shè)定好的比較電壓Vcomp比較后，產(chǎn)生差錯電壓信號，差錯電壓信號輸入到PWM模塊，PWM根據(jù)差錯電壓的大小調(diào)節(jié)占空比，從而達(dá)到控制輸出電壓的目的，振蕩器的作用是產(chǎn)生PWM工作頻率的三角波，三角波經(jīng)過斬波電壓斬波后，產(chǎn)生方波，其方波就是控制MOSFET的導(dǎo)通時間從而控制輸出電壓的。

直流-直流(DC/DC)變換器主要技術(shù)要求

（1）輸入電壓允許變動范圍：40～57V。

（2）輸出電壓穩(wěn)定精度：≤±1%。

（3）應(yīng)有限流性能，限流整定值可在105%～l10%輸出電流額定值之間調(diào)整。

（4）同型號設(shè)備應(yīng)能多臺并聯(lián)工作，并具有均分性能，其不平衡度應(yīng)≤±5%輸出額定電流值。

（5）輸出雜音電壓：衡重雜音≤2mV；寬帶雜音≤20mV（3.4kHz～30MHz）；峰值雜音≤200mV。

（6）反灌雜音：變換設(shè)備在額定工作時，直流電流中寬頻雜音分量（方均根值）應(yīng)小于直流電流的1%。

（7）效率：<200W時，≥75%；≥200W時，≥70%。

直流-直流(DC/DC)變換器工作模式

按照控制電壓和鋸齒波幅值的關(guān)系，開關(guān)占空比D可以表示成：(4-2)?直流-直流變換器有兩種不同的工作模式：

1. 電感電流連續(xù)模式

2.電感電流斷續(xù)模式?在不同的情況下，變換器可能工作在不同的模式。因此，設(shè)計變換器和它的控制器參數(shù)時，應(yīng)該考慮這兩種不同的工作模式的特性。

當(dāng)今軟開關(guān)技術(shù)使得DC/DC發(fā)生了質(zhì)的飛躍，美國VICOR公司設(shè)計制造的多種ECI軟開關(guān)DC/DC變換器，其最大輸出功率有300W、600W、800W等，相應(yīng)的功率密度為(6.2、10、17)W/cm3，效率為（80～90）%。日本NemicLambda公司最新推出的一種采用軟開關(guān)技術(shù)的高頻開關(guān)電源模塊RM系列，其開關(guān)頻率為（200～300)kHz，功率密度已達(dá)到27W/cm3，采用同步整流器（MOSFET代替肖特基二極管），使整個電路效率提高到90%。

直流-直流變換器（DC-DC converter）內(nèi)部一般具有PWM（脈寬調(diào)制）模塊，E/A（誤差放大器模塊），比較器模塊等幾大功能模塊。如下圖UC3842所示：

DC/DC變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術(shù)被廣泛應(yīng)用于無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制,同時使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)的性能,并同時收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調(diào)壓的作用(開關(guān)電源), 同時還能起到有效地抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲的作用。

通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化,模塊采用高頻PWM技術(shù),開關(guān)頻率在500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,要求電源模塊實現(xiàn)小型化,因此就要不斷提高開關(guān)頻率和采用新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),目前已有一些公司研制生產(chǎn)了采用零電流開關(guān)和零電壓開關(guān)技術(shù)的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。

本書共收集了在實際中應(yīng)用最多和應(yīng)用最廣泛的降壓式DC/DC變換器集成電路40余種，其中以Maxim公司的芯片為重點。書中除了介紹它們的電性能參數(shù)、管腳引線、外型封裝、內(nèi)部原理方框圖和典型應(yīng)用電路以外，還給出了各種各樣的應(yīng)用電路和擴(kuò)展的應(yīng)用電路。

在對這些降壓式DC/DC變換器集成電路進(jìn)行通用介紹的過程中，為了凈化環(huán)境、凈化電網(wǎng)、節(jié)約能源，也為了滿足政府部門對電磁兼容等方面的要求，我們又重點突出了低電壓、大電流方面的DC/DC變換器集成電路的介紹。

本書既可供電子工程技術(shù)人員，電源技術(shù)研究和應(yīng)用技術(shù)人員，儀器、儀表和計算機(jī)測控技術(shù)人員，大專院校師生以及電子技術(shù)業(yè)余愛好者參考使用，也可以作為電源產(chǎn)品生產(chǎn)廠家技術(shù)開發(fā)人員和技術(shù)維修人員的參考資料。

直流-直流變換器，變換電路中直流電電壓數(shù)值的變換器?？煞譃樯龎菏街绷?直流變換器和降壓式直流-直流變換器?？蓪⒅绷麟娫?如蓄電池、太陽電池、燃料電池)的電壓從十幾伏或幾十伏升到幾百伏,或者降至幾伏。按變換器中變壓器原邊線圈和副邊線圈的工作狀態(tài),分為正激式變換器和反激式變換器。