DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及如何實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)？

環(huán)路補(bǔ)償是設(shè)計(jì)DC-DC轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵步驟。如果應(yīng)用中的負(fù)載具有較高的動(dòng)態(tài)范圍，設(shè)計(jì)人員可能會(huì)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器不再能穩(wěn)定的工作，輸出電壓也不再平穩(wěn)，這是由于控制環(huán)路穩(wěn)定性或帶寬帶來(lái)的影響。了解環(huán)路補(bǔ)償理論有助于設(shè)計(jì)人員處理典型的板級(jí)電源應(yīng)用問(wèn)題。

本文分為三個(gè)部分。前兩部分討論控制系統(tǒng)理論、通用降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)湟约叭绾卧O(shè)計(jì)DC-DC控制環(huán)路。在第三部分，將以ADI MAX25206為例說(shuō)明如何應(yīng)用控制理論來(lái)評(píng)估和設(shè)計(jì)DC-DC控制環(huán)路。

控制系統(tǒng)理論簡(jiǎn)介

在自然界中，控制系統(tǒng)無(wú)處不在?？照{(diào)控制室內(nèi)溫度，駕駛員控制汽車(chē)行駛的方向，控制煮餃子時(shí)的水溫，諸如此類(lèi)。控制是指對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的一臺(tái)設(shè)備或一個(gè)物理量進(jìn)行操作，使一個(gè)變量保持恒定或沿預(yù)設(shè)軌跡運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。通常，自然界中的系統(tǒng)是非線性的，但微觀過(guò)程可以被視為線性系統(tǒng)。在半導(dǎo)體領(lǐng)域，微電子學(xué)會(huì)被視為一個(gè)線性系統(tǒng)。

可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的系統(tǒng)是閉環(huán)系統(tǒng)，反之則是開(kāi)環(huán)系統(tǒng)。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)的輸出信號(hào)不影響輸入信號(hào)。就像在圖1中，G(s)是系統(tǒng)在復(fù)頻域的傳遞函數(shù)。

圖1.開(kāi)環(huán)系統(tǒng)

VI是輸入信號(hào)，VO是復(fù)頻域的輸出信號(hào)。圖2中的閉環(huán)系統(tǒng)具有從輸出到輸入的反饋路徑。系統(tǒng)的輸入節(jié)點(diǎn)將是輸入信號(hào)和反饋信號(hào)之差。

圖2.閉環(huán)系統(tǒng)

當(dāng)控制器迭代直到輸入信號(hào)等于反饋信號(hào)時(shí)，控制器達(dá)到穩(wěn)態(tài)。使用數(shù)學(xué)方法可以得到以下閉環(huán)系統(tǒng)方程：

然后簡(jiǎn)化方程如下：

其分母相位(式4)既是開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)換函數(shù)(也稱為環(huán)路增益)。其增益幅度表明反饋的強(qiáng)度，其帶寬是閉環(huán)系統(tǒng)的可控帶寬。當(dāng)然，其相移也會(huì)疊加。應(yīng)該知道，如果環(huán)路增益大于0dB，同時(shí)相移為180°，則控制環(huán)路將以正反饋工作并形成一個(gè)振蕩器。這是穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵。 設(shè)計(jì)人員應(yīng)確保相位裕量和增益裕量在安全范圍內(nèi)，否則整個(gè)系統(tǒng)環(huán)路將開(kāi)始自振蕩。

通用降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)?

接下來(lái)介紹降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制環(huán)路。

圖3.降壓DC-DC模塊

圖3顯示了典型降壓轉(zhuǎn)換器原理圖，其簡(jiǎn)化為一個(gè)交流小信號(hào)電路。它包括三級(jí)：斬波調(diào)制器、輸出LC濾波器和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。每一級(jí)都有自己的轉(zhuǎn)換函數(shù)。這三級(jí)構(gòu)成整個(gè)控制環(huán)路。比較器和半橋構(gòu)成斬波調(diào)制器。比較器輸入信號(hào)來(lái)自振蕩器和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)在 閉環(huán)反饋路徑中實(shí)現(xiàn)。調(diào)制器的交流小信號(hào)增益為

其中VPP為振蕩器三角波的峰峰值電壓。VCC為半橋的輸入功率。在控制理論中，小信號(hào)增益既是轉(zhuǎn)換函數(shù)?？梢钥吹?，調(diào)制器沒(méi)有相移，只有幅度增益。LC濾波器轉(zhuǎn)換函數(shù)為

從信息娛樂(lè)系統(tǒng)到電池供電的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)傳感器，電源轉(zhuǎn)換是許多應(yīng)用中的基本需求。通常DC/DC 和 AC/DC 電源轉(zhuǎn)換有幾種基本的開(kāi)關(guān)模式拓?fù)浼軜?gòu)，具體采用那種類(lèi)型取決于所需的電壓水平和所需的功率。本文將討論電源轉(zhuǎn)換的基本概念，并展示采用分立和基于模塊設(shè)計(jì)的流行拓?fù)浼軜?gòu)，還將介紹與隔離和穩(wěn)壓相關(guān)的重要因素。

電源轉(zhuǎn)換無(wú)處不在

在您所使用的大多數(shù)技術(shù)產(chǎn)品中都會(huì)使用電源轉(zhuǎn)換功能。以智能手機(jī)為例，它可能包含標(biāo)稱輸出電壓為3.7V 的鋰電池，而手機(jī)的許多 IC 和相關(guān)功能卻需要在不同的電壓下運(yùn)行，最常用的是 1.8V、3.3V 或 5.0V。電源轉(zhuǎn)換功能需要采用 3.7V電池， 并將電壓轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)碾妷弘娖?，可能是高于，也可能是低于電池的?biāo)稱輸出電壓。

另一個(gè)類(lèi)似的例子是不起眼但卻數(shù)量巨大的USB移動(dòng)電源，這種設(shè)備能夠幫助我們?cè)诼猛局袨殡娮赢a(chǎn)品充電。同樣，它使用單個(gè)鋰電池提供的3.7V電壓，經(jīng)過(guò)DC/DC 轉(zhuǎn)換器升高電壓以提供標(biāo)準(zhǔn) USB 的5V輸出。

您的智能揚(yáng)聲器、電視、筆記本電腦、家用電器都需要將電源電壓轉(zhuǎn)換為內(nèi)部電路能夠使用的電平。

AC/DC 和 DC/DC 轉(zhuǎn)換包括兩種截然不同的技術(shù);線性和開(kāi)關(guān)技術(shù)。過(guò)去，線性方法廣泛用于電源供電設(shè)備，但由于需要大型變壓器和濾波電容器(smoothing capacitor)等笨重組件，其應(yīng)用因而受到影響。雖然目前線性穩(wěn)壓器仍在一些專(zhuān)業(yè)的 DC/DC 轉(zhuǎn)換中使用，但當(dāng)今大多數(shù)應(yīng)用都在采用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器方法。

基于開(kāi)關(guān)的 DC/DC 轉(zhuǎn)換方法依賴于在電感器或電容器中存儲(chǔ)能量。與線性方法不同，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器可以提供高于或低于輸入電壓的輸出電壓。圖 1 突出顯示了開(kāi)關(guān)模式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的基本概念。

一個(gè)PWM 信號(hào)被施加到半導(dǎo)體器件作為開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。PWM 輸入的占空比(標(biāo)記空間比)和頻率會(huì)直接影響轉(zhuǎn)換效率、負(fù)載穩(wěn)壓和輸出電壓。本質(zhì)上看，PWM 和開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體期間將形成一個(gè)電荷泵電路，以便在導(dǎo)通周期間將能量存儲(chǔ)在電感器或電容器中。該能量在 PWM 信號(hào)關(guān)斷期間被釋放和整流，輸出電壓的調(diào)節(jié)應(yīng)用于 PWM 信號(hào)。除了電容器之外，還可以使用變壓器作為電感元件來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入到輸出的隔離。

多年來(lái)，有幾種 DC/DC 轉(zhuǎn)換器拓?fù)浼軜?gòu)已經(jīng)變得很流行，這里我們進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。

流行的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器拓?fù)浼軜?gòu)

降壓轉(zhuǎn)換器

異步降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浼軜?gòu)是將輸入電壓轉(zhuǎn)換為較低的輸出電壓，例如可將5VDC降低至3.3VDC。圖2所示為這樣一種電路的簡(jiǎn)單說(shuō)明。

在圖2中，SW1通常是采用PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)的晶體管，SW2是二極管。當(dāng) SW1 閉合或接通時(shí)，電流流過(guò)電感器儲(chǔ)存能量。當(dāng)SW1為關(guān)斷時(shí)，能量隨著流過(guò) SW2二極管的電流而釋放，并提供輸出電壓。

降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓取決于開(kāi)關(guān) PWM 信號(hào)的占空比，如圖 3 所示。

在同步降壓拓?fù)浼軜?gòu)中，二極管被另一個(gè)開(kāi)關(guān)元件所替代，通常是采用 FET，它由異相開(kāi)關(guān)信號(hào)驅(qū)動(dòng)。 FET 通常具有較低的正向電阻，從而能夠減少損耗。

升壓轉(zhuǎn)換器

顧名思義，在升壓轉(zhuǎn)換器中，輸出電壓高于輸入電壓。高多少取決于各種因素，但對(duì)于大多數(shù)實(shí)際來(lái)說(shuō)，輸出電壓最大值高達(dá)輸入電壓的五倍，而高達(dá)三倍對(duì)于實(shí)現(xiàn)良好的輸出電壓調(diào)節(jié)則更為可行，請(qǐng)參見(jiàn)圖 4。

與圖 2 所示的降壓轉(zhuǎn)換器配置相比，開(kāi)關(guān)晶體管 S1、電感器 L1 和二極管 D1(在圖 1 中為開(kāi)關(guān))放在略有不同的位置。當(dāng) S1 導(dǎo)通時(shí)，能量存儲(chǔ)在 L1 中，而當(dāng) S1 關(guān)閉時(shí)，能量被添加到已經(jīng)跨過(guò)輸入電容器的輸入電壓，并傳遞到輸出電容器。

降壓和升壓轉(zhuǎn)換器均使用很少的組件，這種方法可確保它們具有更高能效，通常高達(dá)97%。

上面強(qiáng)調(diào)的降壓和升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)涠疾皇歉綦x式，這意味著任何輸入電壓都可能出現(xiàn)在輸出端。如果 DC/DC 轉(zhuǎn)換器由 AC 線路電源供電，則在故障情況下可能會(huì)導(dǎo)致輸出端出現(xiàn) AC 線路電壓，從而產(chǎn)生潛在的嚴(yán)重后果。醫(yī)療和保健等許多應(yīng)用都需要輸入和輸出之間的進(jìn)行電隔離。例如，對(duì)于接地連接不常見(jiàn)的情況，在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中實(shí)現(xiàn)電隔離的一種方法是使用變壓器;隔離式反激式轉(zhuǎn)換器即是這樣一個(gè)例證，參見(jiàn)圖 5。

隔離式反激轉(zhuǎn)換器

在隔離式反激轉(zhuǎn)換器中，變壓器既是儲(chǔ)能電感器，又提供電隔離。這種拓?fù)浼軜?gòu)可能是在所有DC/DC 轉(zhuǎn)換器中最簡(jiǎn)單的，具有最少數(shù)量的組件，但通常僅限于低功率應(yīng)用 (< 50 W) 和那些可以承受相對(duì)較高紋波電流的應(yīng)用。變壓器會(huì)引入初級(jí)到次級(jí)的損耗，因此大多數(shù)反激式轉(zhuǎn)換器都難以實(shí)現(xiàn)高于 90% 的效率。然而，與降壓和升壓拓?fù)浼軜?gòu)不同，使用變壓器能夠通過(guò)增加或減少匝數(shù)比來(lái)實(shí)現(xiàn)更寬范圍的輸出電壓。此外，增加的次級(jí)繞組可用于提供多路輸出電壓。

推挽式、半橋和全橋轉(zhuǎn)換器

推挽式、半橋和全橋轉(zhuǎn)換器都是目前在使用的其它一些隔離式開(kāi)關(guān)拓?fù)浼軜?gòu)示例。推挽式架構(gòu)采用兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件，并在它們之間共享電流，適合更高功率的應(yīng)用。這種拓?fù)浼軜?gòu)使用分離式中心抽頭初級(jí)和次級(jí)繞組，需要更昂貴的變壓器。半橋和全橋拓?fù)浼軜?gòu)類(lèi)似于推挽，但只需要一個(gè)初級(jí)繞組。半橋使用兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件，全橋使用四個(gè)，請(qǐng)參見(jiàn)圖 5。

輸出調(diào)節(jié)

DC/DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)除了需要基于特定拓?fù)浼軜?gòu)之外，如何穩(wěn)定輸出電壓也是一個(gè)重要考慮因素。在所有負(fù)載條件下，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出的嚴(yán)格調(diào)節(jié)對(duì)于具有快速變化動(dòng)態(tài)計(jì)算負(fù)載的處理器來(lái)說(shuō)尤其重要，必須快速準(zhǔn)確地將輸出電壓反饋到 PWM 開(kāi)關(guān)功能以適當(dāng)調(diào)節(jié)占空比。今天，大多數(shù) DC/DC 轉(zhuǎn)換器控制 IC 都包含此項(xiàng)功能，在非隔離拓?fù)浼軜?gòu)中可輕松實(shí)現(xiàn)這一任務(wù)。

但是，實(shí)現(xiàn)輸入到輸出的隔離需要額外的組件，從而增加了 BOM 成本，比較受歡迎的隔離反饋方法包括使用附加的變壓器或光耦合器。對(duì)額外組件的需求不僅會(huì)增加BOM成本，還會(huì)增大 PCB 空間要求。在當(dāng)今空間受限的設(shè)計(jì)中，需要將 PCB 空間保持在最低限度。此外，除了 BOM 成本外，設(shè)計(jì)中使用的組件數(shù)量越多，組件采購(gòu)和物流可能遇到的挑戰(zhàn)就越復(fù)雜。使用更多組件也會(huì)影響最終產(chǎn)品的可靠性。