使用雙升壓轉(zhuǎn)換器來擴展高轉(zhuǎn)換率設(shè)計的功率范圍

任何啟動轉(zhuǎn)換器的設(shè)計都將有一個實際的限制,它可以增加多少電壓從輸入到輸出。脈沖寬度調(diào)制控制器具有限制場效應(yīng)晶體管(FET)最小允許時和非時的時間限制。時序限制將有效地限制可實現(xiàn)的電壓提升比,盡管這一缺點在以電感代替變壓器或耦合電感作為其磁性的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中更為明顯。在這個電源提示中,我將比較各種非孤立的,單端提升拓?fù)?以擴展電壓提升比,并引入雙頭轉(zhuǎn)換器作為實現(xiàn)大轉(zhuǎn)換率和高電流輸出負(fù)載的一個選項。

圖1 展示了一個標(biāo)準(zhǔn)的提升轉(zhuǎn)換器與單電感,FET和二極管。任何能產(chǎn)生pbm信號的提升控制器,其任務(wù)周期都會有一個時間限制。

圖1 一個標(biāo)準(zhǔn)的提升轉(zhuǎn)換器使用單電感,FET和二極管。

控制器之間的最大任務(wù)周期不同,但一般而言,在較高的開關(guān)頻率下限制更低。雖然現(xiàn)代的升壓控制器可以超過90%的負(fù)荷周期,但是如果需要一個非常大的輸出電壓,這種特性仍然會限制能力。假設(shè)是理想的二極管,方程1表達(dá)了連續(xù)傳導(dǎo)模式提升變換器的責(zé)任循環(huán):

你也可以把方程1重新排列到方程2,以顯示輸入電壓與輸出電壓的升壓比:

假設(shè)最大功率周期為80%,從輸入到輸出的電壓可以提高五倍。在不連續(xù)傳導(dǎo)模式(DCM)下運行是實現(xiàn)更高轉(zhuǎn)換率的一種選擇;然而,不連續(xù)運行所需的較低電感將導(dǎo)致整個功率級的峰值電流增加。然后,隨著輸出功率需求的增加,更高的峰值電流將限制你在功率級可以使用的組件。

增加控制器提升范圍的另一個選擇是在輸出中添加電荷泵。 圖2 將二極管和一對電容器添加到標(biāo)準(zhǔn)的升壓轉(zhuǎn)換器中.添加隨后的電容-二極管階段可以進(jìn)一步提高增強能力。

圖2 電荷泵使用額外的電容器和二極管來增加電壓。

為了 M 電荷泵級數(shù),方程3計算此拓?fù)渥兓纳龎罕热缦?

使用相同的80%的負(fù)荷循環(huán)限制,一個兩級電荷泵提升轉(zhuǎn)換器可以提高電壓10倍從輸入到輸出。如果您需要一個更大的提升比,增加階段可以進(jìn)一步增加充電泵的范圍。這種方法的缺點是,每個電荷泵階段都在源和負(fù)載之間添加一對二極管。每個二極管對將增加轉(zhuǎn)換器的整個二極管傳導(dǎo)損失,從而使這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不適用于高輸出電流應(yīng)用。

雙升壓轉(zhuǎn)換器成為既需要大幅度提升電壓又需要更大持續(xù)負(fù)載電流的設(shè)計的堅實選擇。顧名思義,這個拓?fù)溲菔玖艘粋€共享的PBM信號控制兩個級聯(lián)提升轉(zhuǎn)換器。 圖3 顯示一個雙啟動轉(zhuǎn)換器運行一個單ppm輸入。當(dāng)電荷泵按比例增加了所使用的階段數(shù)的升壓比時,雙升壓轉(zhuǎn)換器的一個好處是,在給定的階段數(shù)中,升壓比是如何指數(shù)地增加的。

圖3 雙頭變換器級聯(lián)的兩個階段優(yōu)化的升級轉(zhuǎn)換。

公式4表示輸出電壓與輸入電壓的比率 n 增加階段的數(shù)目:

保持相同的80%負(fù)荷循環(huán)的例子,雙頭轉(zhuǎn)換器可以從輸入到輸出增加25倍電壓。這大大增加了幅度,相比之下,使用標(biāo)準(zhǔn)提升轉(zhuǎn)換器的5次提升和使用兩級電荷泵提升器的10次提升。

表1 列出三個推進(jìn)拓?fù)渥兓g的差異。一般而言,雙放大變換器是這些拓?fù)渲行阅茏罡叩?。然?性能的提高伴隨著組件數(shù)量的增加和設(shè)計的復(fù)雜性。

特征的定期推動充電泵雙推

尺寸小的中型的大的

V 數(shù)據(jù)交換系統(tǒng) 強調(diào)的V 在外面V 在外面 /√V 在外面 十五價 在…中 , V 在外面

(需要兩項費用)

磁學(xué)單電感單電感兩個電感器

實際應(yīng)用小升壓比

(五) 在外面 &l;10xV 在…中 )較大的升壓比

(五) 在外面 第10號和第10號 在…中 )很大的升壓比,很高的功率

(五) 在外面 10X訴 在…中 )

限制工作周期限額高BOM計數(shù)高成本

表1 非孤立型升壓變化比較摘要。

在設(shè)計雙升力的功率級時,要分別考慮每個升力級。換句話說,在選擇雙升壓轉(zhuǎn)換器的組件時,對中電壓的輸入與中輸出電壓不同。

假設(shè)兩個階段的雙升壓變換器是操作在集束彈藥中心,方程5表示中電壓(VMID):

中間電壓是大部分性能增加來自的地方.通過將轉(zhuǎn)換分為兩個步驟,第一級處理較高的電流,通過FET和二極管電壓較低,而第二級轉(zhuǎn)換較高的電壓在較低的電流。對于每一種情況,每個功率級的每個組件都可以幫助優(yōu)化功率損失。整流器的選擇也有更大的靈活性。例如,低電壓、高電流段可以使用同步整流器來提高效率,同時仍然使用二極管來實現(xiàn)高電壓、低電流段。

雙頭變換器的主要缺點是復(fù)雜性和零件數(shù)高。由于VMID在輸入電壓范圍內(nèi)的變化,您將不得不考慮輸入的兩個極端。高轉(zhuǎn)換率設(shè)計往往需要更多組件。然而,與充電泵提升階段相比,雙頭轉(zhuǎn)換器將需要更多獨特的部件。第二級電壓較高的FET可能需要比第一級更高的閘門驅(qū)動電壓。在輸入電壓非常低的情況下,設(shè)計可能需要包括第二門驅(qū)動器,以便驅(qū)動更高的電壓FET。

所有的提升壓波M控制器都有其任務(wù)周期的限制,從而限制了電壓轉(zhuǎn)換的能力。拓?fù)涞淖兓?如雙頭轉(zhuǎn)換器添加了許多選項,以擴展這個可用范圍。雙提升轉(zhuǎn)換器的靈活性使您在設(shè)計中實現(xiàn)了高轉(zhuǎn)換率的要求,同時仍然有足夠的效率來處理較重的負(fù)載條件。