DC-DC转换器功能、常见类型和设计原则、应用和挑战
|
什么是DC-DC转换器及其功能？ DC-DC转换器是将一种直流电压或电流电平转换为另一种直流电压或电流电平的机电设备或电子电路。在大多数情况下，设备只使用一个电源。但是，如果不同的子电路需要不同的电压才能正常工作，则需要将输入电压转换为较低或较高的电平。这可以通过 DC-DC 转换器来完成。此外，它们还能稳定电压，不会让电压下降或上升太多。例如，汽车 DC-DC 转换器的用途之一是调节汽车交流发电机中的电压波动。 这些电路有助于正确分配和管理电力，为每个电力消费者提供适当的电压或电流水平。它还保护高度敏感的子电路。最重要的是，在便携式设备中，它们可以在电池电量部分降低时升高电压，从而提高功耗效率。这种转换器用于许多电子设备中。根据EMR 的全球 DC-DC 转换器市场报告，其中一半以上用于智能手机，但它们也有其他应用：从消费电子和电信设备到工业和医疗设备、工厂自动化、交通、机器人、电力电子等。作为电子开发商，我们在设计电力电子产品时也充分利用了各种DC-DC转换器、硬件和机器人技术。 常见类型的DC-DC转换器 线性和开关 DC-DC 转换器 线性转换器通过阻性负载降低输出电压。在这种类型的典型电路中，输入和输出连接一个晶体管（下图中的 RVT1）。输入电压被晶体管两端的电压降低，这导致输出电压下降。 这种电路非常简单和便宜，但有许多严重的缺点。它们只能用于降低电压。此外，它们的效率会随着输入和输出电压之差的增加而下降。只要设备不是由电池供电，这种下降就无关紧要。另一方面，这种未使用的功率会以热量的形式耗散，如果输入和输出电压差异很大，则此类模型很容易过热。 然而，它们用于需要高质量输出电压和低输出电压纹波的低功率设备和节点，或用于对电磁干扰敏感的设备。它们设计简单，使用的组件很少，并且可以节省大量空间（除非需要使用散热器）。线性转换器通常用于音频和视频电子、通信设备、医疗和测量设备。 开关转换器使用开关元件，通过电脉冲为存储电容器充电。然后，该电压通过电容器进行平滑处理并传输至负载。输出电压电平由开关元件的占空比定义。 与线性转换器相比，它们的效率要高得多，可以达到 85-90%。这就是为什么工程师更喜欢在电池供电的设备中使用它们。由于它们效率更高，因此不会产生太多热量，可用于降低和增加输出电压。因此，只要线性类型不是一种选择，就会使用它们。另一方面，它们会产生更多的电磁噪声并需要更多的组件，这使得它们更加昂贵。 在我们的一个项目中，我们需要为具有多个无线电发射器的设备中的多个子电路供电。子电路需要 5V，而输入电压为 12V。最大电流有望达到2A。在这种情况下，使用线性转换器是不切实际的，因为一半以上的能量会以热量的形式耗散（全功率时高达 14W）。安装冷却散热器也不是一种选择，因为外壳太小（10x10x1 厘米）。相反，决定使用 TPS54335 开关转换器。 如您所见，这两种转换器类型各有利弊，因此很难做出决定。在决定使用哪种转换器时，必须考虑一系列因素，包括与电磁兼容性、效率、过热等相关的潜在问题。这就是为什么您需要一支经验丰富的专业人员团队来完成这项工作。请随时联系我们讨论您的项目或想法。 非隔离和隔离 DC-DC 转换器 非隔离式 DC-DC 转换器设计的特点是输入和输出电路之间直接连接（即具有单一电路）。与隔离模型相比，它们用于低功率设备以受益于成本相对较低、尺寸较小和效率较高，因为没有变压器会损失能量。这些类型用于通信、计算机、汽车和其他行业。 在隔离式转换器中，输入和输出相互分离（通常使用变压器）。它阻止了两个电路之间的直流流动。通常，为了安全起见，初级和次级电路是分开的，这就是这种设计广泛用于高压 DC-DC 转换器的原因。此外，此设计还允许您断开接地环路，以保护敏感电路免受噪声影响。 它们用于可编程逻辑控制器、工业自动化、IGBT 驱动器的电源等。特别是，出于安全考虑，可能不允许在设备中使用非隔离式 DC-DC 转换器。 降压型 DC-DC 转换器 也称为降压转换器和斩波器，与输入相比，它们产生较低的输出电压。 在简单的降压转换器中，开关元件 (K) 快速打开和关闭电源。输出电压看起来像一系列方波。当开关打开时，线圈 (L) 和电容器 (C) 会积累能量。电容器还将这些波平滑成直流电压。当电压达到所需水平时，开关元件关闭，二极管 (D) 导通。自感电动势使电流流过二极管。线圈中累积的能量为负载充电。 降压 DC-DC 转换器用于许多领域，包括电池充电器、多媒体播放器、游戏机、监视器和电视机。 升压型 DC-DC 转换器 也称为 DC-DC 升压转换器，它们可以产生高于输入电压的电压。在典型的升压转换器中，感应线圈接收几乎所有电流，而闭合的二极管不让电流对电容器和负载充电。由于电流较高，与降压原理图相比，线圈会积聚更多的磁场能量。当电压下降到某一点时，电源键关闭，同时二极管导通。输入电压增加了存储在线圈中的能量，这使得升压 DC-DC 转换器的输出电压高于输入电压。 每当您无法为电池提供足够高的输入电压或根本没有足够的空间容纳更多电池时，就会使用升压转换器。它们通常用于混合动力汽车、使用节能灯的照明系统、便携式照明设备等。 通用直流到直流转换器 它们可以增加和减少输入电压以产生更高或更低的输出电平。它们也称为升降压转换器。当您处理宽输入电压范围时，通常会使用这种类型。例如，它通常用于汽车电池。 这种电路通常用于由锂离子电池供电的设备中。通用转换器将电压降低到所需水平。但随着电池电压随时间下降，它开始升高。它们还可以在测量设备、照相机和摄像机、MP3 播放器、GPS 系统、无线设备（键盘、鼠标、发射器）、LED 照明等中找到。 反相 DC-DC 转换器 它们的主要功能是反转输出电压的极性。输出电平可以高于或低于输入电平。当设备需要双电源（例如，运算放大器）时，此类模型非常有用。 DC-DC转换器的基本特性 在为设备选择 DC-DC 转换器时，工程师会注意不同的特性和参数，其中最重要的如下： 输入电压该参数由所使用的电源定义。不同的电源（例如，AC-DC 适配器或电池）提供不同的输入电压。在设计电子产品时，硬件开发公司必须确保 DC-DC 转换器能够承受这些电压。 输出电压DC-DC 转换器可以产生固定或可调的输出电压。后者可以从最小值到最大值不等。在这两种情况下，型号的选择均由负载所需的电压范围决定。 输出电流输出电流（连同输出电压）定义了转换器可以提供的电功率。 效率效率是传输到输出的输入功率的百分比。可用以下公式计算：
如上所述，DC-DC 转换器的效率差异很大。在某些情况下，此参数被认为是至关重要的。例如，如果设备由电池供电，则效率定义了设备在必须更换电池之前可以工作多长时间。 在某些情况下，效率本身并不那么重要。然而，转换过程中损失的能量会以热量的形式消散。这反过来会导致不良后果。 温度由于额外的能量会转化为热量，因此过热会成为一个严重的问题。这个问题可以通过适当的套管来部分解决。但在某些情况下，可能必须使用额外的热保护。 尺寸和安装类型DC-DC 转换器有多种封装类型。如果需要将其安装到 PCB 中，设计人员可以选择多种安装方式，包括表面或通孔安装、单列直插或双列直插引脚。当工程师开发小型设备时，尺寸也很重要。 货源稳定最后，在为设备选择转换器时，确保制造商不会在不久的将来停止支持该型号也很重要。这就是为什么我们的团队总是优先考虑最新的模型。 与 DC-DC 转换器相关的常见问题 任何电子设计公司的另一个常见问题是满足各种法规和认证要求。从安全和电磁兼容性的角度来看，使用 DC-DC 转换器会影响设备的特性和特性。此外，不同的应用程序可能会提出额外的要求。 例如，用更便宜的线性转换器替换开关转换器可能需要冷却系统。但这样的系统可能会变得更加昂贵。解决此类问题是 Integra Source 的工作，因此如果您有产品想法并需要咨询，请随时直接与我们联系并提出任何问题。 EMC 问题 电磁兼容性是使用 DC-DC 转换器时可能面临的最明显的问题之一。由于效率更高，开关类型非常受欢迎。但是，如上所述，它们会产生电磁噪声。 因此，此类设备必须进行电磁兼容性测试，以确保它们不会对其他设备造成电磁干扰影响。您可以在有关常见消费电子产品认证的文章中阅读有关 EMC 测试的更多信息。 这些问题通常可以通过适当的 PCB 层堆叠、额外的电容器和滤波电路来解决。通常需要进行全面的PCB 测试才能获得最佳结果。例如，设计人员必须避免在敏感元件和子电路附近安装转换器（尤其是导体线圈）。在下面的示意图中，您可以看到一个铁氧体磁珠 (L2)，以及四个陶瓷电容器 (C5-8) 和一个电化学电容器 (C4)。它们都安装在那里以保护模拟子电路免受 EM 干扰。陶瓷电容器抑制来自转换器的高频噪声，而电化学电容器平滑来自不同来源的低频波动。这种组合大大提高了电源的质量。 安全问题 在许多设备中，输入和输出电压之间的差异可以达到数百伏，这可能非常危险。因此，使用高压 (HV) DC-DC 转换器的设备（例如电力电子设备）必须满足安全要求。它们受不同标准的监管，最常见的是信息技术设备的 IEC 60950-1、家用和类似用途的电器的 IEC 60335-1 以及医疗电气设备的 IEC 60601-1。请注意，国家标准基于国际电工委员会的标准，但可能存在偏差。 每当需要提供所需的安全级别时，电子设计人员都会使用隔离式转换器，因为它们在输入和输出电路之间没有直接连接。IEC 60950-1 标准区分了五个电气绝缘等级。 功能绝缘输入和输出电路之间的功能绝缘仅在设备正常工作时才需要。但是，如果输入到输出绝缘发生击穿或故障，它无法提供足够的电击保护。此保护级别必须至少满足标准的一组要求： a) 电气间隙和爬电距离； b) 电气强度测试； c) 故障条件测试。 如果满足以下条件，则允许设备的 DC-DC 转换器具有功能性绝缘： - 交流转直流电源在交流输入和直流输出之间使用加强绝缘或双重绝缘。 - AC-DC 电源使用基本绝缘或附加绝缘，而 DC-DC 转换器的次级电路连接到保护接地。 - AC-DC 电源具有基本或附加绝缘，而 DC-DC 转换器的初级电路连接到保护接地。 基本绝缘该绝缘等级提供基本的电击保护。设备必须满足所有三组（a、b 和 c）要求。如果 AC-DC 电源在 AC 输入和 DC 输出之间具有功能绝缘，而 DC-DC 转换器的次级电路连接到保护接地，则需要此级别。 附加绝缘除了满足基本的绝缘要求外，该等级还增加了一层保护，例如针对 71V 以上的峰值电压将绝缘穿透距离增加 0.4 毫米。如果 AC-DC 电源在交流输入和直流输出之间使用基本绝缘，则需要此级别的保护。 双重绝缘该保护等级结合了基本绝缘和附加绝缘。 加强绝缘它是一种单一绝缘系统，能够提供与双重绝缘相同的防护等级。它可以包含多个保护层，如果 AC-DC 电源在交流输入和直流输出之间没有绝缘或功能绝缘，则需要它。 散热注意事项 DC-DC转换器主要用于便携式设备。移动环境可能对电子产品极为苛刻，因此开发人员必须在设计阶段尽早处理发热问题。 请注意，DC-DC 转换器的最大全功率温度可能与不同标准开始降低使用该转换器的设备的温度有很大不同。 大多数热量是由变压器产生的。因此，隔热系统根据其制造材料及其在高温下的相互作用方式按标准进行评级。在大多数 DC-DC 转换器中，您会发现在主 PCB 内构建的平面变压器。它们不被视为安全隐患，除非它们的温度超过 PWB（印刷线路板）的最大额定值。 在极少数情况下，当变压器使用未经批准的（A 类）热绝缘系统时，当其内部温度超过 105°C 时，它们被视为安全隐患。但在大多数情况下，此类转换器将需要具有公认隔热系统的变压器——B 级可承受高达 130°C 的工作温度，F 级可承受 155°C。 过热问题可以通过多种方法的组合来解决。例如，在下图中，您可以看到四个产生大量热量的电源转换器。为了解决这个问题，我们的团队使用了具有较低静态漏源导通电阻的 MOSFET 晶体管。这意味着更少的能量转化为热量。此外，我们制作了宽的平行走线（穿过 PCB 的所有四层）并添加了尽可能多的过孔。它允许热量从电路板的两侧散发出去。 为 DC-DC 转换器开发固件 对于这些电路，时间始终是一个关键因素。过早或过晚更改电压电平会导致设备性能低下甚至出现故障。在大多数转换器中，一切都由硬件控制，响应时间不超过微秒。模拟 DC-DC 转换器模块很简单，但性能足够好。 但是，在某些情况下，电子产品开发公司可能会决定在 DC-DC 转换器的设计中使用微控制器。 当需要控制许多参数时（例如在复杂的电池管理系统中），可以使用微控制器实现此功能。它为控制算法的实现提供了更好的灵活性。例如，在逆变焊机中，您需要控制电源键和输出电压，还需要测量输出电流。该设备具有不同的操作模式，包括专为在湿度增加的条件下工作而设计的模式。此模式需要将输出电压降低至不超过 30 V。 在这种情况下，控制功能可以移交给微控制器。微控制器实现以下功能： 1. 内务管理以确保 DC-DC 转换器正常工作。 2.参数设置，意味着动态控制输出电压或电流等。 3. 为晶体管产生控制信号。 在此类转换器中，几乎所有功能都通过代码进行管理。因此，正确组织固件结构从而提供尽可能高的速度非常重要。微控制器的任务可分为两种类型：时间关键型，如环路控制、ADC 测量、系统保护、状态机；和非时间关键型，例如故障记录、PMBus 或通用异步接收器/发送器通信等。 因此，固件也可以分为两部分：一部分负责时间关键任务（中断循环），另一部分控制非时间关键任务（后台循环）。 系统初始化后，中央处理器进入无限循环，执行非时间关键任务。这里的定时器负责产生固定频率的中断。当中断发生时，CPU 停止执行当前任务以存储相关数据，然后跳转到中断例程。完成中断例程后，CPU 恢复后台循环。 中断环路的目标是控制转换器、测量 ADC 输入和保护系统。在此，了解转换器的当前状态及其当前和即将执行的任务至关重要。为此，中断循环使用状态机作为其关键部分。 中央处理单元监控输入电压，直到它超过预定义的阈值。这将激活执行软启动的转换器，以将输出电压增加到某个点。然后它切换到调节模式。转换器保持此模式直到发生故障（在这种情况下，它将关闭并锁存或重新启动，如果命令）或它被命令关闭。 结论 大多数现代设备都使用分布式电源架构。开发人员现在不再使用多个电源，而是使用单个电源，该电源通过 DC-DC 转换器分布在不同的需求点之间。它们对于设计便携式设备特别有用，因为它们的效率和运行时间受到电池数量及其电压的限制。 在设计电子产品时，开发人员必须从能够满足技术规范、效率要求以及 EMI 和安全标准的各种 DC-DC 转换器类型中进行选择。单个设备可以包含多个不同类型的转换器，为多个子电路供电。因此，从技术和财务角度寻找合适的模型是一项具有挑战性的任务。 |
