VICORDC/DC模塊及其應(yīng)用

摘要：介紹VICORDC/DC模塊的原理及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：DC/DC模塊VICOR模塊ZCS技術(shù)電壓調(diào)節(jié)

VICOR DC/DC Module and Its Applications

Abstract: This paper introduces the principle and application experience of VICOR DC/DC module.

Keywords: DC/DC module， VICOR module， ZCS technology， Voltage regulation

中圖法分類(lèi)號(hào)：TN86文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：0219?2713(2000)11?585?03

1引言

DC/DC模塊是目前電源產(chǎn)業(yè)中較為成熟的產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)外許多廠家都有其技術(shù)成熟、各具特色的品種、規(guī)格。DC/DC模塊的廣泛應(yīng)用，簡(jiǎn)化了產(chǎn)品設(shè)計(jì)，提高了產(chǎn)品可靠性，為DC/DC、DC/AC產(chǎn)品的二次開(kāi)發(fā)提供了有利條件。

VICOR(懷格)公司是美國(guó)的專業(yè)模塊電源生產(chǎn)廠家，其產(chǎn)品最大特點(diǎn)是功率密度高、可靠性好。產(chǎn)品系列覆蓋10W～600W，輸入輸出隔離，使用方便，廣泛應(yīng)用于電信、工控、電力電子、軍工、三航等領(lǐng)域。第一代VICOR模塊借以提高電源轉(zhuǎn)換效率的核心技術(shù)是ZCS（零電流開(kāi)關(guān)）技術(shù)；第二代VICOR模塊使用了ZCS/ZVS（零電流/零電壓開(kāi)關(guān)）技術(shù)，為通信專用48V輸入系列。二者原理相似，并且功能、管腳兼容,這里以現(xiàn)在市場(chǎng)上較多的VICOR第一代模塊（VI－2XX、VI－JXX、MI－2XX、MI－JXX等）為例，介紹該類(lèi)產(chǎn)品的原理及應(yīng)用過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)。

圖1原理框圖（VI－J00系列無(wú)＊部分）

圖2ZCS技術(shù)

2VICOR模塊介紹

2.1原理簡(jiǎn)介

該DC/DC模塊電路結(jié)構(gòu)與通常的斬波DC/DC轉(zhuǎn)換器相似，可參考原理框圖（見(jiàn)圖1）及相關(guān)資料，這里不再贅述。

在原理上，VICOR模塊區(qū)別于通常產(chǎn)品之處主要是它使用了軟開(kāi)關(guān)的ZCS技術(shù)，見(jiàn)圖2。

通常的硬開(kāi)關(guān)斬波器波形近似為矩形波，即強(qiáng)迫開(kāi)關(guān)器件在電壓不為零時(shí)開(kāi)通，電流不為零時(shí)關(guān)斷，這樣在矩形波的邊沿就會(huì)因寄生參數(shù)而產(chǎn)生高頻振蕩，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗增大，頻率越高，開(kāi)關(guān)損耗越大；而VICOR模塊應(yīng)用諧振技術(shù)，使開(kāi)關(guān)器件中的電流波形近似于半周期的正弦信號(hào)，這樣開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)刻都對(duì)應(yīng)零輸入電流（即開(kāi)關(guān)管電流），從而即使開(kāi)關(guān)頻率超過(guò)1MHz，開(kāi)關(guān)損耗也只占極小的百分比。高的開(kāi)關(guān)頻率、低的開(kāi)關(guān)損耗便產(chǎn)生了一系列優(yōu)點(diǎn)：功率密度高、傳導(dǎo)和輻射噪聲小、響應(yīng)快、轉(zhuǎn)換效率高等。

VICOR模塊的另一特點(diǎn)是輸出電壓可在額定值基礎(chǔ)上，在5％到110％的范圍內(nèi)方便地調(diào)節(jié)(12V、15V是±10％)。電路原理參見(jiàn)圖3。

內(nèi)部誤差放大器的負(fù)輸入端是輸出電壓的采樣值，正輸入端與Trim端相連。當(dāng)Trim端懸空時(shí)，其上的電位由2.5V的基準(zhǔn)源（Bandgap）決定，亦為2.5V，此時(shí)電路輸出為額定值。以簡(jiǎn)單的外接電阻網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)調(diào)節(jié)Trim端電壓（即誤差放大器的基準(zhǔn)電壓），可相應(yīng)地調(diào)節(jié)輸出電壓。

圖3VICOR模塊調(diào)壓原理 [!--empirenews.page--]

圖4DC/DC模塊管腳

降壓時(shí)外接元件值的計(jì)算與額定輸出電壓無(wú)關(guān)。只需在Trim端與－OUT端間接一電阻與R5分壓以確定Trim端電壓。其值的計(jì)算方法如下（以－20％為例）：

要使輸出電壓降低20％，Trim端電壓也需降低20％，這些電壓都降落在內(nèi)部電阻R5上：

UR5=2.5V×20％=0.5V

IR5=0.5V/10kΩ=50μA

IR5=IRd

故Rd=(2.5V－0.5V)/50μA=40kΩ

升壓時(shí)，需提高Trim端電壓，一般是從＋OUT端接一電阻Ru到Trim端，故外接元件值的計(jì)算與額定輸出電壓相關(guān)。Ru的計(jì)算方法如下（以24V提高5％為例）：

要使輸出電壓提高5％，Trim端電壓也需相應(yīng)提高5％，這些電壓也都降落在內(nèi)部電阻R5上（但方向與降壓時(shí)相反）：

UR5=2.5V×5％=0.125V

IR5=0.125V/10kΩ=12.5μA

IR5=IRu

又URu=Uout－Utrim

=(24V＋24V×5％)－(2.5V＋0.125V)

=22.575V

故Ru=22.575V/12.5μA=1.8MΩ

當(dāng)用VICOR模塊進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)時(shí)，有時(shí)要利用Trim功能構(gòu)成閉環(huán)（見(jiàn)本文的應(yīng)用舉例），此時(shí)就不需要上述的電阻網(wǎng)絡(luò)。但需注意的是，對(duì)于‘－2XX’模塊，若Trim端電壓超過(guò)一定值時(shí)，模塊將會(huì)發(fā)生過(guò)壓保護(hù)關(guān)斷（OVPShutDown），此值額定為2.75V（實(shí)際值一般略高于此值，可達(dá)3V）。為避免模塊的保護(hù)性關(guān)斷，必須有措施防止此端電壓過(guò)高。

2.2管腳含義及接法

DC/DC模塊管腳圖見(jiàn)圖4。

＋I(xiàn)N、－IN：直流電壓輸入正、負(fù)端。輸入電壓可在額定值的－（20～50）％到＋（25～60）％范圍內(nèi)變動(dòng)，具體值請(qǐng)參閱產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)。

GATEOUT：當(dāng)多個(gè)模塊并聯(lián)以提高輸出功率時(shí)，此端輸出的脈沖信號(hào)可用于模塊間的同步。同步信號(hào)一般按‘雛菊鏈’連接，即一模塊的GATEOUT端連到下一模塊的GATEIN端，可以得到幾乎沒(méi)有限制的功率提升能力。

GATEIN：此端是集電極開(kāi)路結(jié)構(gòu)，可以看作模塊的使能/同步端。當(dāng)它被拉低時(shí)（以－IN為基準(zhǔn)，低于0.65V，6mA），模塊關(guān)閉；浮空時(shí)，模塊工作。另外，模塊頻繁開(kāi)關(guān)時(shí)，此端接1μF左右電容，可提供軟起動(dòng)功能。 [!--empirenews.page--]

＋S、－S：正、負(fù)輸出電壓感受/遙感端。若＋S端電壓高于額定輸出值的110％，將激活模塊的過(guò)壓保護(hù)功能（‘－JXX’無(wú)過(guò)壓保護(hù)功能），關(guān)閉模塊。－S端電位不可超過(guò)0.25V，否則電流限制點(diǎn)將提高。

這兩端用于遙感（REMOTESENSING），即當(dāng)負(fù)載離模塊較遠(yuǎn)、負(fù)載電流較大時(shí)，將＋S與＋OUT、－S與－OUT分別與負(fù)載兩端相連，模塊將略微提高輸出電壓以補(bǔ)償＋OUT、－OUT連線上的壓降，從而保證負(fù)載上的電壓為額定值。當(dāng)不需要遙感時(shí)，須將＋S與＋OUT、－S與－OUT直接相連。

TRIM：此端使輸出電壓在額定值的5％到110％的范圍內(nèi)可調(diào)。

＋OUT、－OUT：直流電壓輸出正、負(fù)端。

2.3應(yīng)用注意

（1）若將輸出電壓調(diào)低，因?yàn)榻亓鼽c(diǎn)（CURRENTLIMMITPOINT）并不隨之變化，輸出功率將降低。此外效率降低、輸出電壓紋波百分比升高、輸入電壓范圍變寬。注意，此時(shí)應(yīng)提供一額定輸出功率1％的假負(fù)載，若調(diào)得低于75％，所需的假負(fù)載更大。

輸出電壓升高時(shí)，上述參數(shù)相反變化，此時(shí)應(yīng)注意不可超過(guò)額定功率，因此，不可將輸出電壓調(diào)得高于額定值的110％。

（2）模塊應(yīng)接到一呈低交流阻抗的源上。若不能保證源的低阻抗，應(yīng)在模塊輸入端就近安裝一電解電容，其最小值為：C=400μF/Uin.min。

（3）按VICOR的規(guī)程，即使沒(méi)有EMI/RFI要求，模塊也應(yīng)被適當(dāng)?shù)嘏月?。一般可用RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)將

＋I(xiàn)N、－IN分別與基板相連，C為Y級(jí)4700p，R是為降低Q值用，選1Ω。用RC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)將＋OUT、－OUT分別與基板相連，C也為Y級(jí)4700p，R為2MΩ。連線應(yīng)盡量短。

（4）因VICOR模塊效率較高，對(duì)散熱的要求相對(duì)較低。但為了提高模塊及系統(tǒng)的MTBF，常規(guī)的散熱考慮和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則都應(yīng)遵循。模塊與其散熱的底盤(pán)之間應(yīng)有良好的導(dǎo)熱性，并且是電絕緣的。

3應(yīng)用實(shí)例

圖5應(yīng)用電路框圖（1）

圖6應(yīng)用電路框圖（2）

（1）利用兩只VICOR模塊，設(shè)計(jì)一輸入24VDC、輸出36V/400Hz的線性逆變電源。模塊本身輸入24V，輸出24V，輸出功率50W。原理框圖如圖5所示。

兩只模塊輸入并聯(lián)，輸出串聯(lián)，運(yùn)放輸出為30Vp?p電壓。為在滿載時(shí)輸出也不出現(xiàn)削頂失真的同時(shí)，盡量降低額外的功率損耗，需將模塊輸出調(diào)到17V，為此，在模塊的TRIM端接固定調(diào)節(jié)電阻到各自的－OUT端。電路有內(nèi)外兩個(gè)反饋環(huán)，其中外環(huán)調(diào)節(jié)波形發(fā)生器的參考電壓實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。

VICOR模塊的＋I(xiàn)N、－IN、＋OUT、－OUT端均按2.3（3）條所述，連接阻容網(wǎng)絡(luò)到基板，以使耦合到輸出電壓上的高頻干擾最小。

（2）在VICOR模塊基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)—輸出電壓為36V/400Hz的小型三相逆變電源。原理框圖如圖6所示。

模塊型號(hào)為VI－2W4－CV，輸入24V，輸出48V，輸出功率150W。逆變部分產(chǎn)生交流輸出，因直流源、開(kāi)關(guān)管、濾波電感均有阻抗存在，帶載后輸出電壓將降低。反饋環(huán)節(jié)取自輸出并整流、倒相、緩沖，得到一變化方向與輸出相反的反饋信號(hào)，其幅值不大于2.7V。將此信號(hào)接到下模塊的TRIM端，就構(gòu)成了負(fù)反饋閉環(huán)。調(diào)節(jié)反饋系數(shù)，可以在規(guī)定的負(fù)載變動(dòng)范圍內(nèi)（空、滿載），使該模塊輸出電壓相應(yīng)地在38～50V之間變動(dòng)，系統(tǒng)輸出電壓也被穩(wěn)定在36V。