DC/DC變換器概念、原理及分類

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

二、DC/DC變換器概念、原理及分類

直流-直流轉(zhuǎn)換器(DC-to-DC converter)也稱為DC-DC轉(zhuǎn)換器，是電能轉(zhuǎn)換的電路或是機電設(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，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，是對不同電壓值得同相電源進行轉(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)體功率器件當做開關(guān)，實現(xiàn)不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定值，通常我們將其稱為開關(guān)轉(zhuǎn)換器或者直流轉(zhuǎn)換器。電容和電感式是開關(guān)轉(zhuǎn)換器的兩種類型。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能原件的開關(guān)實現(xiàn)升壓和降壓的功能;電感式開關(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開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器包括開關(guān)功率級部分和控制部分。功率開關(guān)管通常分為同步整流和非同步整流，開關(guān)管本身是一種允許通過大電流的功率管，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器是非同步的電路，是用一個功率MOS和一個續(xù)流二極曾來實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換的。通?，F(xiàn)在是用兩個功率MOS作為開關(guān)管和續(xù)流管，由于開關(guān)MOS壓降小、體積小，可提高效率的同時節(jié)省芯片面積，使集成度提高，成本降低;電路中的儲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決定開關(guān)管的導(dǎo)通時間，通過調(diào)節(jié)輸出電壓的大小實現(xiàn)正確的轉(zhuǎn)換。

三、DC/DC在新能源汽車中的應(yīng)用

以DC/DC在新能源汽車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：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。相對而言，基于紋波控制模式不需要復(fù)雜的補償網(wǎng)絡(luò)來保證環(huán)路的穩(wěn)定性，并且對輸出電壓或者電感電流的紋波實時監(jiān)測，實現(xiàn)了快速的瞬態(tài)響應(yīng)。此外，簡單的控制結(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)通時間控制模式不但具有快速瞬態(tài)響應(yīng)和設(shè)計簡單的特點，而且可以實現(xiàn)寬負載下高轉(zhuǎn)換效率。(一)DC/DC轉(zhuǎn)換器的工作模式降壓型轉(zhuǎn)換器的簡要拓撲結(jié)構(gòu)如下圖所示，在開關(guān)S1閉合后，輸入源VIN的能量將流過電感L，并將能量儲存起來。由于續(xù)流二極管D1存在單向?qū)щ娦?，當開關(guān)斷開后，儲存在電感中的能量將傳輸?shù)捷敵鲭娙莺拓撦d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階段：第一階段，S1閉合，此時開關(guān)節(jié)點電壓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)換器開關(guān)周期，D為轉(zhuǎn)換器的占空比，即S1 導(dǎo)通時間與T的比值。第二階段：S1斷開，此時VSW連接至地端，IL線性下降，在S1斷開期間，由于IL不能突變，因此IL將會從D1上流過，因此在關(guān)斷時間(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)通時間的乘積與關(guān)斷期間的電感兩端電壓差與關(guān)斷時間的乘積相等，因此可得：

從上式可以看出，在降壓型轉(zhuǎn)換器中只能實現(xiàn)D≤1的電壓轉(zhuǎn)換，也就是說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，通過調(diào)整占空比D的大小可以穩(wěn)定VOUT不變。

IL 被認為是一直大于零的，但是在負載電流IO 較低情況下，IL 在第二階段會下降至零值，即電感中正向電流被消耗殆盡。此時由于續(xù)流二極管具有單向?qū)щ娦?，因此系統(tǒng)進入了DCM。DCM下轉(zhuǎn)換器工作分為三個階段：第一階段(0-DT)，S1 閉合，IL 線性上升;第二階段(DT-D2T)，S1 斷開，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、下降和為零的時間長度與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：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 控制模式最常見的控制方案，其主要分為遲滯控制、關(guān)斷時間控制和導(dǎo)通時間控制。在基于紋波控制技術(shù)中，導(dǎo)通時間控制不僅具有結(jié)構(gòu)簡單，無需任何復(fù)雜的補償網(wǎng)絡(luò)和成本低等優(yōu)點，而且當在輕負載下工作時，開關(guān)頻率會根據(jù)輸出負載情況自動降低，以節(jié)省大量開關(guān)功率損耗，從而在輕負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)通時間控制的拓撲結(jié)構(gòu)已成為許多電源管理設(shè)計的首選。不同控制模式比較表。

四、DC/DC發(fā)展趨勢

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

1.集成度越來越高。現(xiàn)在電源類芯片，特別是開關(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)計更簡單，也簡化了焊接、連線等步驟。對于多功能、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)計將功率傳遞作為設(shè)計的重點，這對于系統(tǒng)的供電效率控制是不夠的。這要求電路對電池電量精確地測量，根據(jù)輸入電壓的不同來決定工作模式和可W 關(guān)用的不需要的模塊，合理分配功率供給。

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

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)備體積越來越小，每個消費類電子設(shè)備中都需要一個或多個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工作過程中頻率變化范圍越來越大。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，單位體積大小的電池容量己經(jīng)固定，所以提高工作效率、延長電池的壽命成為推動電源管理逐漸發(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、可以將盡可能多的能量用于有效的負載中。