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DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作機(jī)制和功率電感器的作用

GLeX_murata_eet ? 來源:村田中文技術(shù)社區(qū) ? 2020-06-28 15:07 ? 次閱讀
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第1章介紹了功率電感器特性的查看方法及工藝特點上的差異。

功率電感器是構(gòu)成DC-DC轉(zhuǎn)換器等電壓變化電路的功能部件,因此其優(yōu)劣和常數(shù)的選擇需要符合DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作機(jī)制。本章介紹DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作機(jī)制和功率電感器的作用。

2.1DC-DC轉(zhuǎn)換器簡介

DC-DC轉(zhuǎn)換器是將一定范圍的輸入電壓轉(zhuǎn)換為恒定輸出電壓的電路總稱。其轉(zhuǎn)換方式包括線性穩(wěn)壓器開關(guān)穩(wěn)壓器。另外,電路配置因輸入電壓的升降而不同,存在多種類型。

圖2-1 DC-DC轉(zhuǎn)換器的定義

2.2配置DC-DC轉(zhuǎn)換器的必要性

只有電源電路需要配置DC-DC轉(zhuǎn)換器。CPU、內(nèi)存、LED等配件的運行需要各種DC電壓。例如,移動設(shè)備的鋰離子電池,其電池電壓僅為3.7V。調(diào)整這些電壓差需要配置DC-DC轉(zhuǎn)換器。DC-DC轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用非常普遍,幾乎所有電子設(shè)備都需要使用。

圖2-2 配置DC-DC轉(zhuǎn)換器的必要性

2.3DC-DC轉(zhuǎn)換器的分類

DC-DC轉(zhuǎn)換器分為線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器。

圖2-3 DC-DC轉(zhuǎn)換器的分類

2.3.1 線性穩(wěn)壓器的原理

線性穩(wěn)壓器采用最簡單的方式,通過電阻分壓轉(zhuǎn)換電壓。例如,希望將輸入電壓的一半轉(zhuǎn)換為輸出電壓時,可使負(fù)載電阻和穩(wěn)壓器的可變電阻相同。

圖2-3-1 線性穩(wěn)壓器的原理

本方式具有簡單、低價的特點,但由于使用電阻,因此具有輸入/輸出的電位差越大,功率損耗也越大(效率降低)的缺點,從而導(dǎo)致移動設(shè)備等的電池使用時間縮短。部分設(shè)備還會配置冷卻機(jī)構(gòu),以降低因功率損耗而產(chǎn)生的熱量。因此,大多數(shù)情況用于功耗較低、輸入/輸出電位差較小的電路,而功耗較高的電路基本使用開關(guān)穩(wěn)壓器。

2.3.2 開關(guān)穩(wěn)壓器的原理

開關(guān)穩(wěn)壓器由開關(guān)元件、電感器電容器等功能部件的組合電路構(gòu)成。可通過快速切換開關(guān)的ON/OFF以調(diào)節(jié)輸出電壓,在理想狀態(tài)下可實現(xiàn)無損耗電壓轉(zhuǎn)換。

圖2-3-2 開關(guān)穩(wěn)壓器的原理

本方式分為絕緣型和非絕緣型。絕緣型開關(guān)穩(wěn)壓器采用輸入電壓(1次側(cè))和輸出電壓(2次側(cè))通過變壓器實現(xiàn)絕緣的方式。轉(zhuǎn)換高壓電路時,用于防止觸電或漏電事故。非絕緣型是相對于絕緣型的叫法,不使用變壓器,是輸入電壓和輸出電壓之間未進(jìn)行絕緣的方式。大部分使用電池的移動設(shè)備及車載設(shè)備的電壓較低,因此使用非絕緣型DC-DC轉(zhuǎn)換器。

本節(jié)介紹非絕緣型DC-DC轉(zhuǎn)換器的使用示例和具體的工作機(jī)制。

2.4DC-DC轉(zhuǎn)換器的使用示例

下面介紹在智能手機(jī)和汽車中使用非絕緣型DC-DC轉(zhuǎn)換器的示例。

2.4.1 案例介紹:智能手機(jī)

智能手機(jī)的以下配件使用DC-DC轉(zhuǎn)換器

本節(jié)介紹數(shù)字電路電源RF電路電源、顯示電路電源的具體示例。

圖2-4-1 智能手機(jī)中DC-DC轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用點

1) 數(shù)字電路電源(PMIC*1)

數(shù)字電路主要指CPU、GPU、Memory等的電路。數(shù)字電路的特點是:比起3.6-3.8V的電池電壓,驅(qū)動電壓僅為0.8-1.8V。因此,需要配置降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器。所用DC-DC轉(zhuǎn)換器的特點是:轉(zhuǎn)換頻率高、輸出電流大。使用體積小、L電感值較低(L約為1uH)的功率電感器。

*1) PMIC:Power Management IC。用于需要配置多通道DC-DC轉(zhuǎn)換器的多功能LSI、且配有多個DC-DC轉(zhuǎn)換器和控制微機(jī)的IC。

圖2-4-1-1 在數(shù)字電路中的使用案例

2) RF電路電源

繼數(shù)字電路之后,較多使用DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路為RF電路。與DC-DC轉(zhuǎn)換器相關(guān)的RF電路主要指包絡(luò)跟蹤IC (ET IC)、基帶處理器、藍(lán)牙模塊、Wifi模塊等的電路。以低于電池的電壓驅(qū)動,因此需要配置降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器。DC-DC轉(zhuǎn)換器的特點是兼有模塊化類型,功率電感器及電容器配置于內(nèi)部(L約為2.2uH)。

圖2-4-1-2 在RF電路中的使用案例

3) 顯示電路電源

智能手機(jī)顯示屏也使用了DC-DC轉(zhuǎn)換器。液晶顯示器的LED背光及有機(jī)EL顯示面板所需的電壓高于電池,因此采用升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器。LED背光根據(jù)燈的數(shù)量調(diào)節(jié)輸出電壓。DC-DC轉(zhuǎn)換器的特點是采用高耐壓開關(guān)元件,因此難以設(shè)置為較高的轉(zhuǎn)換頻率。因此使用L電感值較高(L約為10uH)的功率電感器。

圖2-4-1-3 在顯示電路中的使用案例


2.4.2 案例介紹:汽車/Automotive

汽車普遍使用非絕緣型DC-DC轉(zhuǎn)換器。汽車應(yīng)用大致分為以下幾種:


Power Train及Safety較多使用單路輸出DC-DC轉(zhuǎn)換器,Infotainment還會使用PMIC。與智能手機(jī)的主要差異為,運行電壓較大,需將DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入電壓調(diào)節(jié)為12V或48V。應(yīng)用種類豐富,電感值根據(jù)用途會有較大差異。

使用功率電感器的主要應(yīng)用

Powertrain

Safety

Infotainment

Comfort

xEV System

圖2-4-2-1 汽車中DC-DC轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用點

本節(jié)介紹Safety中使用的ADAS、Head Lamp及Infotainment中使用的IVI案例。

1) ADAS、IVI電源

ADAS及IVI中,驅(qū)動應(yīng)用所需電壓低于電池,因此使用降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器。電源配置與智能手機(jī)或PC類似。應(yīng)用實例:ADAS的攝像頭和傳感器、IVI的音響系統(tǒng)。DC-DC轉(zhuǎn)換器的特點是:電壓從12V降為3.3~5.0V,然后根據(jù)應(yīng)用繼續(xù)降壓,通常構(gòu)成1次和2次降壓電路。

圖2-4-2-2 在ADAS,IVI中的使用案例

2) Head Lamp電源

Head Lamp的LED照明主要使用升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器。根據(jù)燈的數(shù)量調(diào)節(jié)輸出電壓。DC-DC轉(zhuǎn)換器的特點是:與智能手機(jī)的LED背光相同,使用電感值較高的功率電感器。

圖2-4-2-3 在Head Lamp中的使用案例

2.5 DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作原理

下面介紹非絕緣型開關(guān)穩(wěn)壓器的工作機(jī)制。DC-DC轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)分為降壓型、升壓型及升降壓型。本節(jié)以降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器為例,對工作機(jī)制進(jìn)行說明。

圖2-5-1 降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的基本圖

圖2-5-1為降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器的基本電路圖。電路配置了1個功率電感器。SW1為ON時SW2為OFF,SW1為OFF時SW2為ON。SW在ON/OFF之間切換時的電路變化如圖2-5-2所示。假設(shè)功率電感器輸入側(cè)端子的位置為A點。

SW1為ON、SW2為OFF時,輸入電源的電壓將直接供給功率電感器,因此A點的電位與Vin相等。SW1為OFF、SW2為ON時,功率電感器與輸入電源斷開,并連接到GND。因此A點的電位與GND相等。

圖2-5-2 開關(guān)ON/OFF時的工作原理

這2種狀態(tài)因轉(zhuǎn)換動作而重復(fù),功率電感器的輸入側(cè)(A點)電壓在Vin[V]與0[V]之間交替重復(fù)。功率電感器的輸入側(cè)被施加振幅Vin的脈沖電壓。

為了向輸出側(cè)供給恒壓,功率電感器應(yīng)如何工作?功率電感器和平滑電容器構(gòu)成了LC低通濾波器電路。輸入側(cè)施加的脈沖電壓經(jīng)過LC電路的平滑化處理后輸出。如此考慮就容易理解恒壓輸出機(jī)制。

圖2-5-3所示為進(jìn)行轉(zhuǎn)換動作時A點電壓與Vout的關(guān)系。上圖表示SW1為ON的時間占50%,即占空比為50%。對此時的電壓進(jìn)行平滑化處理后,50% Vin的Vin/2將作為輸出電壓Vout輸出。下圖所示為占空比25%的情況。25% Vin的Vin/4將作為輸出電壓Vout輸出。即,輸出電壓越高占空比也越高,反之亦然。開關(guān)穩(wěn)壓器可通過更改轉(zhuǎn)換的占空比,控制各種電壓值后進(jìn)行輸出。

圖2-5-3 降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的電壓控制圖

根據(jù)上述分析,可以認(rèn)為通過開關(guān)控制能對輸出電壓進(jìn)行控制。但在選擇功率電感器之前,必須了解功率電感器的規(guī)格將對效率和噪聲產(chǎn)生何種影響。為此需要對電感器的電流進(jìn)行說明。

下面談一談電感器電流。如上所述,功率電感器可對脈沖電壓進(jìn)行平滑化處理,此外還有一個重要作用,它取決于電感器的自感特性。如圖2-5-2所示,SW1為ON時輸入側(cè)供給的電流為Iout,SW1變?yōu)镺FF后,輸入電源立刻斷開,從而無法供給Iout。功率電感器可以解決這個問題。電感器具有自感特性,會沿著阻礙電流變化的方向產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。因此,即使電感器上施加的電壓消失,也可確保繼續(xù)產(chǎn)生電流。

圖2-5-4 功率電感器的電壓電流波形

圖2-5-4為DC-DC轉(zhuǎn)換器工作時,功率電感器的電壓波形和電流波形。SW1為ON時,輸入電源通電,電感器產(chǎn)生電流。此時,電流隨時間增加而上升,積蓄的能量也隨之增加。SW1為OFF時,輸入側(cè)電壓變?yōu)?[V],根據(jù)電感器的特性,電流不立即消失,而隨時間增加而逐漸減少。也可認(rèn)為SW1為ON時積蓄的能量在OFF時釋放。

功率電感器使電流連續(xù)產(chǎn)生,呈現(xiàn)三角波形。流經(jīng)電感器的三角波電流振幅公式如下。


上式的各項參數(shù)如何影響工作電流波形?

本公司曾發(fā)布web工具“DC-DC轉(zhuǎn)換器輔助設(shè)計工具”。該工具可以選擇符合DC-DC轉(zhuǎn)換器運行條件的功率電感器和多層陶瓷電容器。下面介紹使用本工具后,各種參數(shù)對DC-DC轉(zhuǎn)換器的運行產(chǎn)生何種影響。

DC-DC轉(zhuǎn)換器輔助設(shè)計工具:

https://ds.murata.co.jp/mpst/

圖2-5-5 DC-DC轉(zhuǎn)換器輔助設(shè)計工具示例

按以下方式設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)條件,模擬各參數(shù)變動時的情況。(將模擬工具的計算結(jié)果導(dǎo)出為CSV文件后,根據(jù)該文件生成圖表。)

<標(biāo)準(zhǔn)條件>
Vin:3.6V
Vout:1.8V
周波數(shù):2MHz
Iout:1.5A
L:1.0μH

Vin、Vout是決定電感器電壓大小和占空比的參數(shù)。改變Vout后,電壓波形隨之變化(圖2-5-6)。改變其他參數(shù)后,頻率發(fā)生變化,但電壓大小和占空比不變。電壓變動后,電流波形隨之變化。


如果Vin、Vout設(shè)為較大值,則時間變化后電流變化量也呈增大趨勢,紋波電流⊿I變大。

電感或頻率變動時電壓不變,但紋波電流會受到影響。電感增大會抑制電流變化,因此紋波電流將變小(圖2-5-7)。頻率增加會使1個循環(huán)的時間變短,因此紋波電流將變小(圖2-5-8)。


Iout變動時,三角波電流的波形不變,但電流平均值會隨Iout的大小而變化(圖2-5-9)。

圖2-5-6 Vout變動時的電壓電流波形

圖2-5-7 電感變動時的電壓電流波形

圖2-5-8 頻率變動時的電壓電流波形

圖2-5-9 Iout變動時的電壓電流波形


功率電感器的電壓和電流波形取決于DC-DC轉(zhuǎn)換器的各條件和功率電感器的電感。

1.2節(jié)對電感和直流疊加特性進(jìn)行了說明。如果電感過低,則紋波電流將變大,如果直流疊加特性不佳,會在通入大電流時導(dǎo)致電感降低,從而使紋波電流增加。此類電感器的規(guī)格對DC-DC轉(zhuǎn)換器的運行產(chǎn)生較大影響。

第2章對DC-DC轉(zhuǎn)換器的種類和工作機(jī)制進(jìn)行了說明。要掌握功率電感器的必要特性,應(yīng)了解工作機(jī)制和電感器電流的波形,這一點非常重要。

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原文標(biāo)題:功率電感器基礎(chǔ)講座——第2章:DC-DC轉(zhuǎn)換器

文章出處:【微信號:murata-eetrend,微信公眾號:murata-eetrend】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

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    升壓型<b class='flag-5'>DC-DC</b><b class='flag-5'>轉(zhuǎn)換器</b>關(guān)斷時的<b class='flag-5'>工作</b>