DC/DC變換器概念、原理及分類(lèi)

DC/DC變換器表示在直流電路中將一個(gè)電壓值變換為另一個(gè)電壓值的電能裝置，新能源汽車(chē)DC/DC變換器一半分為升壓型、降壓型和穩(wěn)壓型三種類(lèi)型，其中降壓型幾乎每輛新能源汽車(chē)都會(huì)搭載，主要作用是將動(dòng)力電池高壓變換為低壓向蓄電池充電并能夠給整車(chē)低壓電氣設(shè)備供電。

二、DC/DC變換器概念、原理及分類(lèi)

直流-直流轉(zhuǎn)換器(DC-to-DC converter)也稱(chēng)為DC-DC轉(zhuǎn)換器，是電能轉(zhuǎn)換的電路或是機(jī)電設(shè)備，可以將直流(DC)電源轉(zhuǎn)換為不同電壓的直流(或近似直流)電源。其功率范圍可以從很小(小的電池)到非常大(高壓電源轉(zhuǎn)換)。有些直流-直流轉(zhuǎn)換器的輸出電壓和輸入電壓有相同的參考點(diǎn)，而有些直流-直流轉(zhuǎn)換器的輸出電壓是和輸入電壓隔離。按照電能轉(zhuǎn)換的類(lèi)別和用途可將交流和直流轉(zhuǎn)換電路可分為五種轉(zhuǎn)換形式：1.直流轉(zhuǎn)直流(DC/DC)轉(zhuǎn)換器，是對(duì)不同電壓值得同相電源進(jìn)行轉(zhuǎn)換。2.低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)，是一種直流電壓轉(zhuǎn)換為比輸入稍微低一些的直流電壓的轉(zhuǎn)換器，是一種線性(無(wú)噪聲)的直流轉(zhuǎn)換器。3.整流器電路，是將交流電壓轉(zhuǎn)換成為直流電壓的轉(zhuǎn)換器。4.逆變器，是將直流電壓通過(guò)周期程序控制轉(zhuǎn)換成交流電的變換器。5.交流電變壓器，是將一定頻率的交流電轉(zhuǎn)換成峰值不同交流電的變換器。DC/DC指的是將半導(dǎo)體功率器件當(dāng)做開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定值，通常我們將其稱(chēng)為開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器或者直流轉(zhuǎn)換器。電容和電感式是開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的兩種類(lèi)型。通常用到的電容式轉(zhuǎn)換器主要是指電荷泵(Charge Pump)，電路是利用電容式儲(chǔ)能原件的開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)升壓和降壓的功能;電感式開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器主要包括升壓型(Boost)轉(zhuǎn)換器、降壓型(Buck)轉(zhuǎn)換器和升壓降壓型(Buck-Boost)轉(zhuǎn)換器。

DC/DC開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器包括開(kāi)關(guān)功率級(jí)部分和控制部分。功率開(kāi)關(guān)管通常分為同步整流和非同步整流，開(kāi)關(guān)管本身是一種允許通過(guò)大電流的功率管，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器是非同步的電路，是用一個(gè)功率MOS和一個(gè)續(xù)流二極曾來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換的。通?，F(xiàn)在是用兩個(gè)功率MOS作為開(kāi)關(guān)管和續(xù)流管，由于開(kāi)關(guān)MOS壓降小、體積小，可提高效率的同時(shí)節(jié)省芯片面積，使集成度提高，成本降低;電路中的儲(chǔ)能器件包括電感和電容;濾波電路指輸入輸出為了穩(wěn)壓而設(shè)計(jì)的濾波器;控制電路是根據(jù)輸出反饋電壓和電感的采樣電流來(lái)決定開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，通過(guò)調(diào)節(jié)輸出電壓的大小實(shí)現(xiàn)正確的轉(zhuǎn)換。

三、DC/DC在新能源汽車(chē)中的應(yīng)用

以DC/DC在新能源汽車(chē)中最常用的降壓型轉(zhuǎn)換器體現(xiàn)形式為例，降壓型轉(zhuǎn)換器的控制技術(shù)分為三大類(lèi)：電壓模式控制、電流模式控制和基于紋波控制模式。由于電壓模式和電流模式的開(kāi)關(guān)頻率固定，其輕載效率低下，并且它們的瞬態(tài)響應(yīng)速度受限制于電路帶寬。相對(duì)而言，基于紋波控制模式不需要復(fù)雜的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來(lái)保證環(huán)路的穩(wěn)定性，并且對(duì)輸出電壓或者電感電流的紋波實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了快速的瞬態(tài)響應(yīng)。此外，簡(jiǎn)單的控制結(jié)構(gòu)能夠消耗更少的靜態(tài)電流，能夠有效提升轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率。在基于紋波控制模式中，自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間控制模式不但具有快速瞬態(tài)響應(yīng)和設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，而且可以實(shí)現(xiàn)寬負(fù)載下高轉(zhuǎn)換效率。(一)DC/DC轉(zhuǎn)換器的工作模式降壓型轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖所示，在開(kāi)關(guān)S1閉合后，輸入源VIN的能量將流過(guò)電感L，并將能量?jī)?chǔ)存起來(lái)。由于續(xù)流二極管D1存在單向?qū)щ娦?，?dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，儲(chǔ)存在電感中的能量將傳輸?shù)捷敵鲭娙莺拓?fù)載上，并且維持電感電流連續(xù)。根據(jù)S1的通斷情況和電感電流IL存在與否，穩(wěn)態(tài)下，轉(zhuǎn)換器的基本工作模式主要分為三種：CCM、DCM和臨界導(dǎo)通模式(CRM)。

在CCM下，IL始終保持大于零的狀態(tài)，因此電路工作分為兩個(gè)階段：第一階段，S1閉合，此時(shí)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓VSW 連接至VIN，IL線性上升，根據(jù)恒壓電感方程可知在導(dǎo)通時(shí)間DT期間內(nèi)，電感電流增量(ΔIL)S1,ON為：

其中，T為轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)周期，D為轉(zhuǎn)換器的占空比，即S1 導(dǎo)通時(shí)間與T的比值。第二階段：S1斷開(kāi)，此時(shí)VSW連接至地端，IL線性下降，在S1斷開(kāi)期間，由于IL不能突變，因此IL將會(huì)從D1上流過(guò)，因此在關(guān)斷時(shí)間(1-D)T期間內(nèi)，電感電流減量(ΔIL)S1,OFF為：

在穩(wěn)態(tài)下，根據(jù)伏秒定律，即導(dǎo)通階段的電感兩端電壓差與導(dǎo)通時(shí)間的乘積與關(guān)斷期間的電感兩端電壓差與關(guān)斷時(shí)間的乘積相等，因此可得：

從上式可以看出，在降壓型轉(zhuǎn)換器中只能實(shí)現(xiàn)D≤1的電壓轉(zhuǎn)換，也就是說(shuō)VIN 必須要大于等于輸出電壓VOUT。其次，在CCM 下，VOUT只取決于VIN，若VIN發(fā)生變化，通過(guò)調(diào)整占空比D的大小可以穩(wěn)定VOUT不變。

IL 被認(rèn)為是一直大于零的，但是在負(fù)載電流IO 較低情況下，IL 在第二階段會(huì)下降至零值，即電感中正向電流被消耗殆盡。此時(shí)由于續(xù)流二極管具有單向?qū)щ娦?，因此系統(tǒng)進(jìn)入了DCM。DCM下轉(zhuǎn)換器工作分為三個(gè)階段：第一階段(0-DT)，S1 閉合，IL 線性上升;第二階段(DT-D2T)，S1 斷開(kāi)，IL 線性下降;第三階段(D2T-D3T)，IL 下降至零并保持該狀態(tài)。由于D、D2 和D3 分別為IL 上升、下降和為零的時(shí)間長(zhǎng)度與T 的比值，所以D + D2 + D3 =1。

(二)降壓型轉(zhuǎn)換器控制模式轉(zhuǎn)換器的控制模式通常分為兩大類(lèi)：脈沖寬度調(diào)制(PWM)和脈沖頻率調(diào)制(PFM)。通常PWM 控制模式主要分為電壓模式和電流模模式。此外，基于紋波控制是PFM 控制模式最常見(jiàn)的控制方案，其主要分為遲滯控制、關(guān)斷時(shí)間控制和導(dǎo)通時(shí)間控制。在基于紋波控制技術(shù)中，導(dǎo)通時(shí)間控制不僅具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需任何復(fù)雜的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和成本低等優(yōu)點(diǎn)，而且當(dāng)在輕負(fù)載下工作時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率會(huì)根據(jù)輸出負(fù)載情況自動(dòng)降低，以節(jié)省大量開(kāi)關(guān)功率損耗，從而在輕負(fù)載下為電池供電的電子設(shè)備提供高轉(zhuǎn)換效率，因此導(dǎo)通時(shí)間控制的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已成為許多電源管理設(shè)計(jì)的首選。不同控制模式比較表。

四、DC/DC發(fā)展趨勢(shì)

隨著電源管理類(lèi)芯片日益成熟，半導(dǎo)體工藝水平的不斷提高，電子設(shè)計(jì)軟件的不斷智能化，便攜式產(chǎn)品的功能也越來(lái)越多。未來(lái)的發(fā)展主要有以下趨勢(shì)：

1.集成度越來(lái)越高?，F(xiàn)在電源類(lèi)芯片，特別是開(kāi)關(guān)電源芯片，結(jié)合其他芯片多種電路功能，可以讓外圍電路設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，也簡(jiǎn)化了焊接、連線等步驟。對(duì)于多功能、多路輸出的DC/DC，內(nèi)部電路在抗干擾性方面需要做更多工作。

2.大負(fù)載應(yīng)用。從小功率的便攜式設(shè)備，到新型充電設(shè)備，轉(zhuǎn)換器工作的負(fù)載電流也在日益增大。

3.可規(guī)劃的內(nèi)部控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)的IC設(shè)計(jì)將功率傳遞作為設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，這對(duì)于系統(tǒng)的供電效率控制是不夠的。這要求電路對(duì)電池電量精確地測(cè)量，根據(jù)輸入電壓的不同來(lái)決定工作模式和可W 關(guān)用的不需要的模塊，合理分配功率供給。

4.開(kāi)關(guān)電源多路輸出功能是目標(biāo)之一。在很多電器中都會(huì)有不同的供電要求，所需要多種電壓值。具有多路輸出、獨(dú)立開(kāi)關(guān)、良好穩(wěn)定性的開(kāi)關(guān)電源逐漸成為未來(lái)電源管理類(lèi)芯片的主流。

5.成本的最小化。便攜式設(shè)備已經(jīng)逐漸成為了生活所必須的產(chǎn)品。同樣功能的設(shè)備體積越來(lái)越小，每個(gè)消費(fèi)類(lèi)電子設(shè)備中都需要一個(gè)或多個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器。在保證性能的前提下能夠?qū)⒚款wDC/DC的成本降低。

6.DC/DC工作過(guò)程中頻率變化范圍越來(lái)越大。在整體電路中，PCB更多的成本體現(xiàn)在板子面積和外圍器件上，隨著工作頻率的升高，可以選擇成本更低的電感、電容、變壓器等外圍元器件，從而減小輸出紋波、抑制干擾、増大單位増益帶寬來(lái)提高抗干擾能力。

7.提高DC/DC的效率和壽命。在鋰電池發(fā)展到瓶頸期時(shí)，單位體積大小的電池容量己經(jīng)固定，所以提高工作效率、延長(zhǎng)電池的壽命成為推動(dòng)電源管理逐漸發(fā)展的要素之一。在便攜式設(shè)備中電源管理技術(shù)除了要減小自身的工作損耗，還應(yīng)該減少一些不必要的電池能量的浪費(fèi)、可以將盡可能多的能量用于有效的負(fù)載中。