DC/DC直流轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)要介紹

DC/DC轉(zhuǎn)換器的工作原理是通過開關(guān)管的高速開關(guān)動(dòng)作，將輸入的直流電壓斬波成脈沖波，從而實(shí)現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換。這一過程利用了電容、電感的儲(chǔ)能特性，通過可控開關(guān)(如MOSFET、IGBT等)進(jìn)行高頻開關(guān)的動(dòng)作，將輸入的電能儲(chǔ)存在電容(感)里，當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，電能再釋放給負(fù)載，提供能量。DC/DC轉(zhuǎn)換器的主要類型包括降壓型、升壓型和升降壓型，每種類型都適用于不同的電壓轉(zhuǎn)換需求。例如，降壓型轉(zhuǎn)換器將輸入電壓轉(zhuǎn)換為較低的電壓，而升壓型轉(zhuǎn)換器則將輸入電壓轉(zhuǎn)換為更高的電壓。DC/DC轉(zhuǎn)換器的效率取決于其升壓模式、輸入電壓和輸出電壓，如果是以2倍壓模式進(jìn)行升壓，那么它的效率為Vout/2Vin。此外，DC/DC轉(zhuǎn)換器的外部接線包括高壓接線和低壓接線，其核心技術(shù)是脈寬調(diào)制(PWM)，即通過控制開關(guān)管的通斷將直流電切割成方波或脈沖波，并通過調(diào)整方波的占空比來實(shí)現(xiàn)電壓的調(diào)節(jié)。12在電動(dòng)汽車中，DC/DC轉(zhuǎn)換器的作用是將動(dòng)力電池的高壓直流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電，供車輛使用。這種轉(zhuǎn)換器通常布置于前機(jī)艙，具備效率高、體積小、耐受惡劣工作環(huán)境等特點(diǎn)。它通過使用自激振蕩電路將輸入的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，再利用變壓器改變電壓后轉(zhuǎn)換為直流電輸出。或者通過倍壓整流電路將交流電直接轉(zhuǎn)換為高壓直流電輸出。DC/DC轉(zhuǎn)換器的工作原理圖展示了其主電路拓?fù)?，包括原邊開關(guān)電路和控制器調(diào)制特定占空比的PWM波來驅(qū)動(dòng)開關(guān)管按照既定的順序和時(shí)間開閉，從而實(shí)現(xiàn)電流逆變過程。

針對(duì)智能卡供電，本文提出了一種集成式DC/DC轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)并分析了它的工作原理。該系統(tǒng)效率可達(dá)到85%，擁有足夠的魯棒性，可滿足所有復(fù)雜的ISO7816-3規(guī)范，并已通過EMV和EMV Co程序1級(jí)和2級(jí)。該結(jié)構(gòu)特別適用于便攜式收款機(jī)(POS)等智能卡應(yīng)用。

智能卡的工作電壓已經(jīng)升級(jí)到可適用于任何專門針對(duì)這種應(yīng)用的芯片。初的ISO7816-3和EMV (Europay/Master card/Visa)文件現(xiàn)在包括1.8V、3.0V和5.0V作為適用的工作電源。因此，位于卡和之間的物理接口必須能夠?qū)⑸鲜鋈魏我环N電源和主MPU適配。電源必須保持表1中規(guī)定的工作條件。另外，電源必須能在750μs內(nèi)斷開和卡的連接，特別是在帶電拔出卡時(shí)。

除了靜態(tài)工作以外，在負(fù)載為100mA/400ns脈沖狀態(tài)下，電源可把輸出電壓保持在容限以內(nèi)。這樣的要求涉及到系統(tǒng)工作狀態(tài)，而不僅僅是電源。

DC/DC轉(zhuǎn)換器

隨著應(yīng)用的日漸廣泛，從電池供電的便攜式系統(tǒng)到電視衛(wèi)星接收機(jī)，智能卡接口必須高效處理大的輸入電壓范圍并具有高效率?；旧?，只要能為卡提供所需的電源，它能以任何類型的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。如可以設(shè)計(jì)成一種基于開關(guān)電容的轉(zhuǎn)換器，但是考慮到便攜式POS系統(tǒng)時(shí)，其有限的效率成為一個(gè)關(guān)鍵問題。對(duì)于GSM應(yīng)用則不同，因?yàn)檩敵龉β氏拗茷?0mW，因而在無線電話PCB上優(yōu)先考慮這種基于電容的結(jié)構(gòu)，以節(jié)約空間。

考慮到對(duì)于POS機(jī)便攜式模塊，節(jié)能是關(guān)鍵問題，因而優(yōu)先考慮基于電感的結(jié)構(gòu)，以盡量提高效率。實(shí)際上，在輸出功率高達(dá)300mW的情況下，電感結(jié)構(gòu)在整個(gè)工作電壓范圍內(nèi)的效率可以達(dá)到85%，這是低成本開關(guān)電容技術(shù)難以達(dá)到的水平。

另一方面，因?yàn)檩斎腚妷嚎梢詮?低2.70V到 高5.50V(在電池快用完或在電池充電后)，該結(jié)構(gòu)必須自動(dòng)地、無需調(diào)整地從升壓轉(zhuǎn)換到降壓工作，反之亦然。圖1描述的概念已經(jīng)得到開發(fā)，以滿足這些要求，在設(shè)計(jì)中以保持EMV 成為主要的目標(biāo)。

在硅裸片中實(shí)現(xiàn)的真實(shí)系統(tǒng)更加復(fù)雜，因?yàn)楣ぷ鲿r(shí)既不能有電壓尖峰同時(shí)又要能實(shí)現(xiàn)調(diào)整及低紋波。重要的是，電路必須滿足所有EMV規(guī)范，尤其是電源下降序列、電源關(guān)斷時(shí)序及輸出短路電流。

為達(dá)到這些要求，圖2所示的轉(zhuǎn)換器增加了幾個(gè)額外的NMOS及PMOS晶體管。

該系統(tǒng)按照兩周期的概念運(yùn)行(所有注釋請(qǐng)參見圖2及圖3)，并帶有考慮了智能卡要求的特殊結(jié)構(gòu)：

周期1：Q1及Q4開通，且電感L1由外接電池來充電。在此階段，Q2/Q3及Q5/Q6關(guān)斷。

流經(jīng)Q1及Q4兩個(gè)MOSFET的電流在內(nèi)部被監(jiān)視，并在達(dá)到Ipeak值(峰值電流，取決于可編程輸出電壓值)時(shí)關(guān)斷。在這一點(diǎn)上，周期1完成而周期2開始?！伴_通”時(shí)間是電池電壓及引腳10與11之間所連接的電感網(wǎng)絡(luò)值(L及Zr)的函數(shù)。

為防止出現(xiàn)不受控運(yùn)行，4μs暫停結(jié)構(gòu)可確保系統(tǒng)在過載或低電池輸入情況下只在連續(xù)的周期1環(huán)路內(nèi)運(yùn)行。

周期2：Q2及Q3開通，且存儲(chǔ)在電感L1中的能量通過Q2轉(zhuǎn)移到外接負(fù)載。在此階段，Q1/Q4及Q5/Q6關(guān)斷。電流流通周期是900ns恒定值(典型值)，如果CRD_VCC電壓低于規(guī)定值，在這段時(shí)間以后重復(fù)周期1。

當(dāng)輸出電壓達(dá)到規(guī)定值(1.80V、3.0V或5.0V)時(shí)，Q2與Q3立即關(guān)斷，以免在輸出負(fù)載上產(chǎn)生過壓。與此同時(shí)，兩個(gè)額外的NMOS——Q5及Q6開通，以便完全放掉存儲(chǔ)在電感中的電流，避免在系統(tǒng)上產(chǎn)生振鈴及電壓尖峰。圖3給出了DC/DC轉(zhuǎn)換器的理論波形。

當(dāng)CRD_VCC被編程為0V，或當(dāng)智能卡從插座中拔出時(shí)，有源下拉Q7迅速對(duì)輸出儲(chǔ)能電容進(jìn)行放電，確保當(dāng)卡在ISO觸點(diǎn)上滑行時(shí)輸出電壓低于0.40V。由于Q7的導(dǎo)通電阻低，輸出電壓在不到100μs的時(shí)間內(nèi)即迅速下降###400mV，遠(yuǎn)低于EMV規(guī)定的大值750μs。

輸出電壓紋波，盡管ISO7816-3或EMV未直接規(guī)定，但它在智能卡的運(yùn)行中扮演重要角色。其峰峰值取決于以下兩個(gè)主要電參數(shù)：

1.在輸出硅結(jié)構(gòu)及凈儲(chǔ)能電容之間的總串聯(lián)電阻;

2.穩(wěn)壓，即檢測(cè)帶 小門限及滯后的輸出電壓的能力。

隨著新能源汽車的逐漸普及，DC/DC轉(zhuǎn)換器這一術(shù)語也開始頻繁進(jìn)入人們的視野。那么，究竟什么是DC/DC轉(zhuǎn)換器，它在電動(dòng)汽車的電氣系統(tǒng)中又扮演著怎樣的角色呢?

DC，即直流電源，而DC/DC轉(zhuǎn)換器則是一種能夠?qū)⑤斎腚妷恨D(zhuǎn)換為穩(wěn)定輸出電壓的電壓轉(zhuǎn)換器。它的主要作用包括升壓、降壓以及穩(wěn)壓。

在電動(dòng)汽車中，DC/DC轉(zhuǎn)換器的重要任務(wù)是將動(dòng)力電池組輸出的高電壓通過降壓、濾波、穩(wěn)壓等電路處理，轉(zhuǎn)換成恒定的12V或24V低電壓。這樣既能滿足整車各種電器設(shè)備的供電需求，同時(shí)也能為輔助電池充電。

當(dāng)車輛的低壓蓄電池電量不足時(shí)，車輛控制單元(VCU)會(huì)檢測(cè)到這一情況并控制主繼電器閉合，向DC/DC轉(zhuǎn)換器發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)。接收到信號(hào)后，DC/DC轉(zhuǎn)換器開始工作并對(duì)外輸出電能。

此外，DC/DC轉(zhuǎn)換器的外部接線包括高壓接線(連接直流母線正負(fù)極)和低壓接線(包括12V低壓?jiǎn)拘研盘?hào)線、輸出正負(fù)極線、DC/DC搭鐵線以及故障報(bào)警線)。

關(guān)于DC/DC直流轉(zhuǎn)換器的工作原理，簡(jiǎn)單來說就是通過自激振蕩電路將輸入的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，再利用變壓器改變電壓后轉(zhuǎn)換為直流電輸出。或者通過倍壓整流電路將交流電直接轉(zhuǎn)換為高壓直流電輸出。

其核心技術(shù)是脈寬調(diào)制(PWM)，即通過控制開關(guān)管的通斷將直流電切割成方波或脈沖波，并通過調(diào)整方波的占空比(脈沖寬度與脈沖周期之比)來實(shí)現(xiàn)電壓的調(diào)節(jié)。

以上便是關(guān)于DC/DC直流轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)要介紹，希望能對(duì)大家有所幫助。