如何破解您的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器

「黑客」 通常是運(yùn)用某些聰明而高超的技巧，以實(shí)現(xiàn)原本并沒有打算達(dá)到的目的。然而對(duì)于DC/DC轉(zhuǎn)換器這樣基本的模塊，該如何去破解呢?

本文將以隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器電源為例，展示四種可能的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器“破解技巧”，以拓展更多的應(yīng)用。這些技巧是以 RECOM 的 RxxPxx 系列轉(zhuǎn)換器為基礎(chǔ)，該模塊具有 6.4kVDC 基本隔離、工業(yè)工作溫度范圍和低隔離電容，因此特別適合為高壓隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的電路供電。

重要提醒：如在電子器件的標(biāo)稱規(guī)格操作范圍之外使用，質(zhì)量保證將失效。如果您決定執(zhí)行以下任何一種解決方案，請(qǐng)?zhí)崆奥?lián)系制造商并征得他們的同意。

假設(shè)您有一個(gè) SiC 晶體管應(yīng)用需要大約 +15V 的正柵極驅(qū)動(dòng)電壓和大約 -4V 的負(fù)柵極關(guān)斷電壓才能以最低的開關(guān)損耗達(dá)到最佳性能(圖 1)。

您查看制造商的規(guī)格書之后，發(fā)現(xiàn)具有這種特殊非對(duì)稱輸出電壓組合的隔離 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品并不存在。接下來您可以做些什么?

圖 1：隔離式 SiC 晶體管柵極驅(qū)動(dòng)器電路的簡(jiǎn)化示意圖

技巧 #1：使用不符合規(guī)格的輸入電壓

在滿載時(shí)低功率非穩(wěn)壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸出/輸入電壓變化率通常為 Vin 的 1.2%/1%。換句話說，如果輸入電壓高于或低于標(biāo)稱值 10%，輸出電壓將提高或降低 12% 左右，因此任何輸入電壓的變化都會(huì)被放大。電壓比隨著負(fù)載降低呈線性提高，因此在 50% 負(fù)載下大約是 Vin 的 1.1%/1%，而在最小負(fù)載下則差不多一樣 (1%/1%)。為了比較不同制造商的規(guī)格書，電子業(yè)已將非穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器的線性穩(wěn)壓規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)化，使電源電壓的標(biāo)準(zhǔn)化變化不超過 ±10%。但如果輸入電壓設(shè)置在此范圍之外會(huì)怎樣?

答案是轉(zhuǎn)換器仍可以工作，但不再保證性能會(huì)符合規(guī)格書中的數(shù)值。如果輸入電壓過低或過高，輸出電壓也會(huì)過低或過高也就是超出標(biāo)稱范圍，但這在某些情況下可能很有用。下圖(圖 2)和測(cè)試結(jié)果(表 1)顯示了使用 RECOM R-REF01-HB 評(píng)估板以 1MHz PWM 開關(guān)信號(hào)驅(qū)動(dòng) SiC MOSFET 時(shí)測(cè)得的電路電壓：

圖 2：R12P22005D DC/DC 轉(zhuǎn)換器供電給有源 SiC 晶體管柵極驅(qū)動(dòng)器，轉(zhuǎn)換器的規(guī)格為隔離+20/-5V 輸出、標(biāo)稱 12V 輸入(左)和 10.8V 電源(右)，結(jié)果均在實(shí)際 60% 負(fù)載下測(cè)得。

表 1：60% 負(fù)載下測(cè)量2W 非對(duì)稱隔離式DC/DC 轉(zhuǎn)換器 (R12P22005D) 的電源電壓，分別為標(biāo)稱 12V、標(biāo)稱-10% 和超過標(biāo)稱-20%

從這個(gè)技巧中可以看到將輸入電壓設(shè)定在標(biāo)稱值的 -20% (9.6V) 會(huì)得出所需的非標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓，即使輸入電壓超出了規(guī)格書中的數(shù)值。

這個(gè)技巧可以用到什么程度? 我們一起來看看：

表 2：60% 負(fù)載下測(cè)量2W 非對(duì)稱隔離式DC/DC 轉(zhuǎn)換器 (R12P22005D) 的標(biāo)稱和超標(biāo)的欠壓電源電壓(線性調(diào)節(jié) ≈ Vin 的 1.1%/1%)

另一個(gè)方向：

表 3：60% 負(fù)載下測(cè)量2W 非對(duì)稱隔離式DC/DC 轉(zhuǎn)換器 (R12P22005D) 的標(biāo)稱和超標(biāo)電源電壓(線性調(diào)節(jié) ≈ Vin 的 1.1%/1%)

我們可以看到即使輸入電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出規(guī)格書中 ±10% 限制，轉(zhuǎn)換器也不會(huì)突然停止工作。

警告：在規(guī)定的輸入電壓范圍之外運(yùn)行轉(zhuǎn)換器會(huì)增加內(nèi)部元器件應(yīng)力，因此可能無法呈現(xiàn)規(guī)格書所列的數(shù)值，例如效率、輸出紋波和工作溫度范圍。如果輸入電壓非常低，此時(shí)增加輸入電流可能會(huì)導(dǎo)致初級(jí)側(cè)組件過熱。如果輸入電壓過高，可能會(huì)超過內(nèi)部電容器和晶體管的電壓額定值。這兩種超標(biāo)情況都可能使輸出電壓隨著環(huán)境溫度或負(fù)載的變化而明顯浮動(dòng)，因此請(qǐng)謹(jǐn)慎使用此技巧!

為了更可靠地解決產(chǎn)生非標(biāo)準(zhǔn) +15V/-4V不對(duì)稱輸出電壓組合的問題，我們需要使用部分調(diào)節(jié)的電路：

技巧 2：只調(diào)節(jié)其中一個(gè)輸出。

使用非對(duì)稱輸出 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的時(shí)候(例如 +15/-9V 標(biāo)稱輸出的 RxxP21509D)，如果一個(gè)輸出電壓正確，另一個(gè)就可以輕松地進(jìn)行后調(diào)節(jié)至所需的輸出電壓。以我們的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器電源為例，負(fù)軌輸出電流低于正軌電流因此可以使用齊納二極管和通用 NPN型雙極晶體管穩(wěn)壓器來解決(圖 3)。

圖 3：負(fù)軌穩(wěn)壓解決方案

該解決方案的優(yōu)勢(shì)是 DC/DC 轉(zhuǎn)換器是在規(guī)格書的范圍之內(nèi)，因此性能和質(zhì)量保證均不受影響，不降額即可在 -40°C 至 +85°C 的工業(yè)環(huán)境溫度范圍內(nèi)正常運(yùn)作。

此外，負(fù)軌現(xiàn)在已進(jìn)行調(diào)節(jié)、保持固定且不受負(fù)載或輸入電壓變化的影響，可以選擇不同的齊納二極管電壓來設(shè)置在范圍內(nèi)所需的電壓。如果正軌比負(fù)軌更重要?jiǎng)t可以使用相同的技巧來調(diào)節(jié)正軌(請(qǐng)見技巧#3)。

這個(gè)方式的缺點(diǎn)是調(diào)節(jié)后的軌電流會(huì)受到晶體管功耗的限制。在這個(gè)例子中，NPN 型晶體管需要下降大約 5V，這將限制它的最大平均負(fù)載電流為 -100mA(注意：柵極峰值充電/放電電流由輸出電容器提供，因此只須考慮平均漏極電流)。

如果需要更大的輸出電流而不引起過度熱損耗，堆疊轉(zhuǎn)換器將是更好的解決方法：

技巧 #3：堆疊轉(zhuǎn)換器

柵極驅(qū)動(dòng)器的平均功率取決于柵極驅(qū)動(dòng)電壓擺幅、晶體管的柵極電荷和開關(guān)頻率。平均功率可以通過以下等式計(jì)算：

因此舉例來說，以較高的開關(guān)頻率或驅(qū)動(dòng)并聯(lián)柵極來增加輸出電流時(shí)需要更高的柵極驅(qū)動(dòng)功率。由于示例中的柵極驅(qū)動(dòng)電壓是不對(duì)稱的 (+15V/-4V)，因此 Vgate 正擺幅需要比負(fù)擺幅更高的功率。當(dāng)功率的消耗超出單個(gè)隔離 DC/DC 轉(zhuǎn)換器所能負(fù)荷的時(shí)候可以使用兩個(gè)不同的堆疊轉(zhuǎn)換器來加以解決(圖 4)。以下技巧在2W提供 +16V、0.7W提供 -5V：

圖 4：堆疊式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器

R12P209D 雙輸出 DC/DC 轉(zhuǎn)換器在公共引腳斷開的情況下使用，產(chǎn)生非穩(wěn)壓的 18V/222mA 電源。然后通過齊納和 NPN型晶體管的組合調(diào)節(jié)至 +16V VDD 。由于 NPN 有兩倍的電流且只需將兩端的電壓降低一半，晶體管的功耗與技巧#2的大致相同。

再者，柵極驅(qū)動(dòng)器的非隔離初級(jí)側(cè)的 5V 線性穩(wěn)壓器已被低成本 R-78E 開關(guān)穩(wěn)壓器模塊所取代，能以高達(dá) 500mA 的電流提供 5V 電壓。這為柵極驅(qū)動(dòng)器初級(jí)側(cè)和提供隔離 -5V 輸出軌的 R05P05S DC/DC 轉(zhuǎn)換器供電，這意味著 12V 電源電壓的任何變化現(xiàn)在都在負(fù)軌中調(diào)節(jié)。使用調(diào)節(jié)過的電源供電給非穩(wěn)壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可提高整體系統(tǒng)性能，同時(shí)也是下一個(gè)技巧概念的基礎(chǔ)：使用級(jí)聯(lián)轉(zhuǎn)換器。

技巧 #4：級(jí)聯(lián)轉(zhuǎn)換器

正如我們從技巧#1 中看到的，非穩(wěn)壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸出電壓可以通過調(diào)節(jié)輸入電壓來加以「調(diào)整」。如果需要可調(diào)的非對(duì)稱隔離柵極驅(qū)動(dòng)器電壓，添加一個(gè)低成本、非隔離和前置穩(wěn)壓的 DC/DC 模塊可以建立一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器電路且可以設(shè)在很寬的柵極電壓范圍之內(nèi)。此技巧可運(yùn)用在測(cè)試和檢查哪種正負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓組合可提供最高性能和最低損耗。之后可以安裝固定電壓微調(diào)電阻器來設(shè)定最有效的輸出電壓組合：

圖 5：可調(diào)的非對(duì)稱輸出隔離柵極驅(qū)動(dòng)器電源

RPX-1.0 是一種特別有用的低成本 SMD DC/DC 模塊，因?yàn)樗峁┝朔浅挼妮敵鲭妷赫{(diào)節(jié)范圍 (0.8 – 30V) 以及出色的 1A 連續(xù)輸出驅(qū)動(dòng)電流?？梢允褂脙蓚€(gè)電阻器預(yù)設(shè)輸出電壓，或者如本技巧所示的使用微調(diào)電阻器。

與所有的技巧一樣，在超出預(yù)期用途的情況下使用任何產(chǎn)品時(shí)請(qǐng)小心謹(jǐn)慎，即使 “如果一個(gè)蠢方法有效，那它就不是一個(gè)蠢方法” 的格言是對(duì)的。

如有任何疑問，請(qǐng)聯(lián)系 RECOM 技術(shù)支持。我們可以測(cè)試解決方案并就您的特定應(yīng)用的適用性提出建議。在批量生產(chǎn)方面我們可以改造標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換器以提供任何所需的輸入和輸出電壓組合，因此您的半定制解決方案可以享有完整的質(zhì)量保證。