斬波電路之DC-DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)應(yīng)用

DCDC轉(zhuǎn)換器的工作原理是將直流電壓或電流轉(zhuǎn)換成高頻方波電壓或電流，然后通過(guò)整流將其平滑轉(zhuǎn)換為直流電壓輸出。

DC-DC轉(zhuǎn)換器通常由控制芯片、電感線圈、二極管、三極管和電容器組成。這種轉(zhuǎn)換器可以分為三類(lèi)：升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器、降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器和升降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器。根據(jù)需要，可以采用不同的控制方式，如PWM控制型，其效率高且具有良好的輸出電壓紋波和噪聲，而PFM控制型則在長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)，尤其是小負(fù)載時(shí)具有較低的能耗。目前，DC-DC轉(zhuǎn)換器廣泛應(yīng)用于手機(jī)、MP3、數(shù)碼相機(jī)、便攜式媒體播放器等產(chǎn)品中。在電路類(lèi)型分類(lèi)上，它屬于斬波電路。

DC-DC轉(zhuǎn)換器的作用

DC-DC轉(zhuǎn)換器的作用是將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換成所需的固定輸出電壓。通過(guò)控制芯片、電感線圈、二極管、三極管和電容器等元件的組合，DC-DC轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)不同類(lèi)型的轉(zhuǎn)換，如升壓型、降壓型和升降壓型。這些轉(zhuǎn)換器在不同應(yīng)用中具有不同的優(yōu)勢(shì)，如PWM控制型具有高效率和低噪聲，而PFM控制型則在小負(fù)載時(shí)具有較低的能耗。DC-DC轉(zhuǎn)換器在現(xiàn)代電子設(shè)備中扮演著重要角色，例如手機(jī)、MP3、數(shù)碼相機(jī)和便攜式媒體播放器等。

DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路類(lèi)型

DC-DC轉(zhuǎn)換器可以分為三類(lèi)：升壓型、降壓型和升降壓型。升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入電壓低于輸出電壓，通過(guò)增加電感和開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入電壓高于輸出電壓，需要使用電感和開(kāi)關(guān)來(lái)降低輸出電壓。升降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器則可以根據(jù)負(fù)載要求實(shí)現(xiàn)輸入電壓的升降。在電路類(lèi)型分類(lèi)上，DC-DC轉(zhuǎn)換器屬于斬波電路。

DC-DC轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用

DC-DC轉(zhuǎn)換器廣泛應(yīng)用于手機(jī)、MP3、數(shù)碼相機(jī)、便攜式媒體播放器等產(chǎn)品中，因?yàn)檫@些設(shè)備需要穩(wěn)定的直流電壓來(lái)運(yùn)行。在這些設(shè)備中，DC-DC轉(zhuǎn)換器可以將電源適配器的輸出電壓轉(zhuǎn)換為所需的電壓，確保設(shè)備的正常工作。此外，DC-DC轉(zhuǎn)換器還可以用于汽車(chē)電子設(shè)備、工業(yè)控制系統(tǒng)和太陽(yáng)能電池板等應(yīng)用中，以提供穩(wěn)定的直流電源。

由于電力電子、數(shù)字控制及電池技術(shù)的進(jìn)步，促使再生能源、儲(chǔ)能系統(tǒng)及新能源應(yīng)用等產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。例如 : 電動(dòng)汽車(chē)的電能系統(tǒng)、對(duì)電力系統(tǒng)用電進(jìn)行削峰填谷和調(diào)節(jié)電力的儲(chǔ)能系統(tǒng)、應(yīng)急電源及可攜式行動(dòng)電源等。這些設(shè)備都需要雙向電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在電力系統(tǒng)與電池系統(tǒng)間進(jìn)行電力交換。

雙向電力轉(zhuǎn)換架構(gòu)眾多，可以分為 Bidirectional AC-DC & Bidirectional DC-DC Converter。Bidirectional AC-DC Converter 依功率大小應(yīng)用有單相與三相架構(gòu)。本文將針對(duì)常見(jiàn)之單相雙向 AC-DC 轉(zhuǎn)換架構(gòu)及工作方式進(jìn)行介紹。

2.單相雙向 AC-DC Converter 架構(gòu)介紹

單相 PFC 與單相 Inverter 的架構(gòu)有很多種，雙向功能需同時(shí)包含 PFC ( AC-DC ) 與 Inverter ( DC-AC)的功能，目前最常使用的硬體架構(gòu)為 Full Bridge 架構(gòu)。

2.1 單相 AC-DC Converter 介紹

當(dāng)作為 AC-DC Converter ( PFC ) 使用時(shí)，依動(dòng)作方式可以分為全橋整流 PFC 模式及 Totem Pole PFC 模式。

全橋整流 PFC 模式的動(dòng)作方式如圖 3 所示，由 Q1、Q4 與 Q2、Q3 兩對(duì)開(kāi)關(guān)交互高頻切換。AC input 正半周時(shí)，Q2、Q3 導(dǎo)通及 Q1、Q4 關(guān)閉為電感儲(chǔ)能區(qū)間，Q1、Q4 導(dǎo)通及 Q2、Q3 關(guān)閉為電感泄能區(qū)間，此階段電感電壓方程式如下 :

AC input 負(fù)半周時(shí)，Q1、Q4 導(dǎo)通及 Q2、Q3 關(guān)閉為電感儲(chǔ)能區(qū)間，Q2、Q3 導(dǎo)通及 Q1、Q4 關(guān)閉為電感泄能區(qū)間，此階段電感電壓方程式如下 ( 負(fù)半周時(shí) VAC 為負(fù)值 ) :

Totem Pole PFC 模式為近年最常用的 Bridgeless PFC 架構(gòu)，動(dòng)作方式如下圖 4 所示，控制 2 個(gè)高頻切換開(kāi)關(guān) Q1 與 Q2 及 2 個(gè)低頻整流開(kāi)關(guān) Q3 與 Q4。AC input 正半周時(shí)，Q2、Q4 導(dǎo)通及 Q1、Q3 關(guān)閉為電感儲(chǔ)能區(qū)間，Q1、Q4 導(dǎo)通及 Q2、Q3 關(guān)閉為電感泄能區(qū)間，此階段電感電壓方程式如下 :

AC input 負(fù)半周時(shí)，Q1、Q3 導(dǎo)通及 Q2、Q4 關(guān)閉為電感儲(chǔ)能區(qū)間，Q2、Q3 導(dǎo)通及 Q1、Q4 關(guān)閉為電感泄能區(qū)間，此階段電感電壓方程式如下 ( 負(fù)半周時(shí)VAC 為負(fù)值 ) :

由以上全橋整流 PFC 模式及 Totem Pole PFC 模式動(dòng)作分析可以發(fā)現(xiàn)以下 2 點(diǎn) :

( 1 ) 全橋整流 PFC 模式是 4 個(gè)開(kāi)關(guān)都是高頻切換，Totem Pole PFC 模式只有 2 個(gè)開(kāi)關(guān)是高頻切換，因此 Totem Pole PFC 模式切換損失較全橋整流 PFC 模式小。

( 2 ) 全橋整流 PFC 模式電感儲(chǔ)能時(shí)的電壓是 |VAC|+VDC ，Totem Pole PFC 模式電感儲(chǔ)能時(shí)的電壓是 VAC。以相同感量比較，全橋整流 PFC 模式電感儲(chǔ)能電流斜率較大。

( 3 ) 全橋整流 PFC 模式 AC input 的負(fù)端 ( 連接到 Q3、Q4 中間 )，以高頻切換頻率在 VDC 的正與負(fù)間跳動(dòng)，故 EMI 較差。

2.2 單相 DC-AC Inverter 介紹

相較于 AC-DC PFC 動(dòng)作方式，DC-AC inverter 依動(dòng)作方式亦可分為 Bipolar PWM 與 Unipolar PWM 兩種。Bipolar PWM 動(dòng)作方式及波形動(dòng)作方式為控制 Q1、Q4 與 Q2、Q3 開(kāi)關(guān)交互高頻切換，經(jīng)電感與電容濾波輸出交流電流與電壓。由于 VAB 電壓在一個(gè)切換周期由 +VDC 到 -VDC 間變化，故稱為Bipolar PWM 模式。

AC output 正半周時(shí)，Q1、Q4 導(dǎo)通及 Q2、Q3 關(guān)閉為電感儲(chǔ)能區(qū)間，Q2、Q3 導(dǎo)通及 Q1、Q4 關(guān)閉為電感泄能區(qū)間，此階段電感電壓方程式如下 :

AC output 負(fù)半周時(shí)，Q2、Q3 導(dǎo)通及 Q1、Q4 關(guān)閉為電感儲(chǔ)能區(qū)間，Q1、Q4 導(dǎo)通及 Q2、Q3 關(guān)閉為電感泄能區(qū)間，此階段電感電壓方程式如下 ( 負(fù)半周時(shí) VAC 為負(fù)值 ) :

Unipolar PWM 動(dòng)作方式如下圖 7 所示，控制 2 個(gè)高頻切換開(kāi)關(guān) Q1 與 Q2 及 2 個(gè)低頻整流開(kāi)關(guān) Q3 與 Q4，經(jīng)電感與電容濾波輸出交流電流與電壓。由于 VAB 電壓在一個(gè)切換周期由 +VDC 到 0 ( AC 正半周 ) 及 0 到 -VDC 間 ( AC 負(fù)半周 ) 變化，故稱為 Unipolar PWM 模式。

AC output 正半周時(shí)，Q1、Q4 導(dǎo)通及 Q2、Q3 關(guān)閉為電感儲(chǔ)能區(qū)間，Q2、Q4 導(dǎo)通及 Q1、Q3 關(guān)閉為電感泄能區(qū)間，此階段電感電壓方程式如下 :

AC output 負(fù)半周時(shí)，Q2、Q3 導(dǎo)通及 Q1、Q4 關(guān)閉為電感儲(chǔ)能區(qū)間，Q1、Q3 導(dǎo)通及 Q2、Q4 關(guān)閉為電感泄能區(qū)間，此階段電感電壓方程式如下 ( 負(fù)半周時(shí) VAC 為負(fù)值 ) :

由以上 Bipolar PWM DC-AC inverter 及 Unipolar PWM DC-AC inverter 模式動(dòng)作分析可以發(fā)現(xiàn)以下2點(diǎn) :

( 1 ) Bipolar PWM 模式是4個(gè)開(kāi)關(guān)都是高頻切換，Unipolar PWM 模式只有 2 個(gè)開(kāi)關(guān)是高頻切換，因此 Unipolar PWM 模式切換損失較 Bipolar PWM DC-AC inverter 小。

( 2 ) Bipolar PWM 模式電感泄能時(shí)的電感電壓壓是 |VAC|+VDC，Unipolar PWM 模式電感泄能時(shí)的電感電壓是 VAC。以相同感量比較，Bipolar PWM 模式電感泄能電流斜率較大。

3.結(jié)論

單相雙向 AC-DC 轉(zhuǎn)換架構(gòu)功能包含 AC-DC converter 及 DC-AC inverter。依控制動(dòng)作方式不同 AC-DC converter 可以分為全橋整流 PFC 及 Totem Pole PFC ;DC-AC inverter 可以分為Bipolar PWM 及 Unipolar PWM 兩種方法。全橋整流 PFC 及 Bipolar PWM DC-AC inverter 之 PWM 模組動(dòng)作較簡(jiǎn)單，但切換損失較大，儲(chǔ)能電感斜率也較大。

Totem Pole PFC 及 Unipolar PWM DC-AC inverter 因只有2個(gè)高頻切換開(kāi)關(guān)，效率較高。近年因第三類(lèi)半導(dǎo)體 SiC ( 注 1 ) & GaN 高頻且低切換損失的特性，常用于 2 個(gè)高頻切換開(kāi)關(guān)，使得效率進(jìn)一步得到提升。

因雙向架構(gòu)控制較復(fù)雜，需要同時(shí)擁有 AC-DC converter 及 DC-AC inverter 控制器，并判斷決定正向或反向功率轉(zhuǎn)換控制，一般沒(méi)有 Analog Control IC 可以使用，必須使用 Digital Controller ( 注 2 ) 來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制系統(tǒng)。

DC-DC電路設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

①輸入、輸出電壓范圍：確定輸入和輸出電壓范圍，確保選擇的DC-DC電源芯片能符合要求。還要考慮系統(tǒng)對(duì)DCDC電源輸出紋波的要求。

②效率、功率損耗：高效率的DC-DC轉(zhuǎn)換器可以減少功率損耗和熱量。所以要注意散熱設(shè)計(jì)。

③輸出電流、負(fù)載能力：確保DC-DC電路能夠穩(wěn)定地提供系統(tǒng)所需的電流，并且能夠根據(jù)負(fù)載調(diào)整輸出能力。

④PCB布局：良好的PCB布局設(shè)計(jì)需要減少電磁干擾、噪聲。注意地線與信號(hào)線分離，提高電磁兼容性。

⑤環(huán)境、溫度條件：考慮到DC-DC電路的工作溫度范圍、環(huán)境條件，選擇適合的散熱設(shè)計(jì)、過(guò)孔、散熱片。確保DC-DC電路能夠在系統(tǒng)所需的溫度和環(huán)境條件下穩(wěn)定工作。

⑥符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范：遵循安全標(biāo)準(zhǔn)、EMC規(guī)范，保證DC-DC電源電路設(shè)計(jì)符合法規(guī)要求。

綜上，DC-DC電源電路設(shè)計(jì)需要考慮到輸入、輸出電壓范圍、效率、功耗、輸出電流和帶動(dòng)負(fù)載的能力、紋波和噪聲、穩(wěn)定性和反饋控制、輸入輸出保護(hù)、PCB布局和電磁兼容性、溫度和環(huán)境條件、可靠性和壽命等因素。