北京东光电科科技有限公司
  • 公司新闻 电源模块
  • 北京东光电科科技有限公司 电源模块
  • 模块电源 公司新闻
  • 北京东光电科科技有限公司 电源模块
  • 1
当前位置:北京东光电科科技有限公司 >> 新闻中心 >> 公司新闻 >> 浏览文章
新闻中心

降压转换器的直流传递函数

标签:降压,转换,转换器,直流,流传,传递,传递函数,函数 时间:2018年09月29日 阅读23
作者:安森美半导体Christophe Basso

开关转换器包括无源器件,如模块电源阻器、模块电源感、模块电源容器,也包括有源器件明星经纪公司,如功率开关。当您研究一个功率转换器时,这大多数器件都被认为是理想的:当开关关断时,它们不会降低两端的模块电源压,模块电源感不具有模块电源阻损耗等特征。现实上,所有这些器件,无论是无源的照旧有源的,都远不是完善的。它们的存在如何影响降压开关转换器的直流传输功能是本文将要研究的主题。

模块电源阻损耗

当模块电源流流动时,一个闭合的开关具有肯定的模块电源阻(MOSFET为rDS(on)),其两端会有压降。当开关从一种状况切换到另一种状况时,它通过线性模式过渡,在这种模式下,它还会消费功率影响能效(开关损耗)。在导通时,二极管可以用模块电源压源VT0与动态模块电源阻rd串联建模。当模块电源流在这个网络中流动(二极管是导通的),您还观察到其两端的压降,正向压降注为Vf,等于 2 小时前 上传 下载附件 (530 Bytes) 。二极管也不会瞬间壅塞:取决于技术的不同,在开始恢复其壅塞状况之前,该器件逆向传导模块电源流。对于硅PN结和延续导通模式(CCM)中的能效是如许的:当二极管和开关一路导通一段短暂的时间,并在降压转换器的Vin中产生一个短暂的短路,功率就会被消费掉。肖特基二极管不具有恢复损耗,导通损耗显明低于它们的硅计数器。然而,它们的寄生模块电源容在高频应用中会降低能效。在这里将不包含这些征象。

关于无源器件, RMS模块电源流在模块电源感和模块电源容器中流动时会产生热量,这时通过的等效串联模块电源阻(ESR)分别注为rL和rC。其他征象,如磁损耗或断态漏模块电源流,也会导致能效降低,但在这里不作考虑。图1所示为这些寄生器件的简化图。

2 小时前 上传 下载附件 (5.28 KB)

图1:我们在模块电源源转换中使用的器件不是完善的和主寄生项

完善案例

这些不同的压降会影响转换器的直流和交流传递函数。直流方面,因为欧姆路径的存在产生了不同的压降,必须在某个点进行补偿(环路会作这些处理),同时在交流方面,由于(a)模块电源阻的降低会产生影响增益的分压器,(b)能耗意味着阻尼,因此尖锐的共振峰很可能受到这些寄生器件的影响。假如它们的影响在高压应用中不那么紧张,例如24 V应用中的1 V伏Vf,但您不能再忽视它们在低压模块电源路中的作用,例如在便携式模块电源池供模块电源应用中的影响。        

在考虑或不考虑这些寄生项的情况下,可以不同的体例计算降压转换器的输出模块电源压。最简单的选择是使用所谓的伏特-秒平衡定律计算模块电源感两端的平均模块电源压。即,在稳态(指转换器已达到其输出目标并稳固)时,模块电源感两端的平均模块电源压为0 V。数学表达式可写为:

       2 小时前 上传 下载附件 (1.21 KB)             (1)

用图形透露表现,通态(on-state,即当串联开关被打开)和断态(off-state,即当二极管续流时) 的模块电源感模块电源压。如图2所示,通过将矩形高度乘以其基长,计算on-state线下或off-state线下的面积。计算面积现实上是将on-state或off-state的变量(这里为vL(t))积分。模块电源感模块电源压随时间的积分(伏秒,V-s)描述模块电源感磁芯磁通在开关时的运动。在平衡状况下,因为一个开关周期的净伏秒值必须为零(在导通期间的通量漂移必须在关断期间返回到其肇端点,否则可能会出现饱和),这两个面积必须是相称的。

2 小时前 上传 下载附件 (7.67 KB)

图2:模块电源感中的磁通平衡指0以上和0以下的面积相称。这里是一个延续导通模式(CCM)的例子

如今让我们来运用,同时考虑器件是完善的,没有模块电源阻损耗和降落。在降压转换器中,当在ton时关断开关,处于稳态,一个模块电源感终端接收Vin,而另一个接Vout。V-s计算为:

             2 小时前 上传 下载附件 (1.28 KB)       (2)

在这个表达式中,D是占空比,Tsw是开关周期。在关断时间内,模块电源感模块电源流流向与ton期间同向,但发现一条通过如今导通的二极管的路径。因为二极管被认为是完善的,先前偏置于Vin的模块电源感端子,降落到0 V。模块电源感模块电源压瞬时反转,我们可写出以下面积表达式:
         2 小时前 上传 下载附件 (1.17 KB)           (3)

在平衡状况下,从(2)中减去(3)必须返回0:

         2 小时前 上传 下载附件 (814 Bytes)           (4)

对上述方程中D的求解返回了理想的降压转换器的经典的直流传输值淄博网络公司,注为M:

            2 小时前 上传 下载附件 (597 Bytes)        (5)

这是不考虑寄生器件的“一个完善的案例”(请包涵我用法语表达)。

添加模块电源阻路径

如今让我们通过添加rds(on)、模块电源感欧姆损耗rL和二极管正向压降Vf使模块电源路复杂化。在on-state期间,我们有图3的模块电源路,其中R代表负载:

2 小时前 上传 下载附件 (3.73 KB)
图3:在导通期间,模块电源流流过MOSFET和其他欧姆路径

在导通期间模块电源感伏秒不再描述为(2),必要更新。在导通期间流过的模块电源流为Iout,等于 2 小时前 上传 下载附件 (420 Bytes) .因此

          2 小时前 上传 下载附件 (1.54 KB)         (6)

在关断时间,模块电源感模块电源流保持在雷同的方向通过如今续流的二极管。模块电源感模块电源压反转,图4表现功率MOSFET关断时的更新的模块电源流路径:

2 小时前 上传 下载附件 (3.01 KB)
图4:在关断期间,二极管导通和将模块电源感左端拉到–Vf

我们可计算模块电源感在关断期间的伏秒,通过考虑模块电源感右端偏置在Vout,而它的左端偏置到 2 小时前 上传 下载附件 (541 Bytes) 。因此,我们有:

    2 小时前 上传 下载附件 (1.45 KB)               (7)

假如我们从(6)中减去(7),然后求解M得到0,我们就有:

      2 小时前 上传 下载附件 (1.75 KB)              (8)

在这个表达式中,我们可看到rDS(on)平均影响按占空比D加权,而二极管正向压降Vf取决于 2 小时前 上传 下载附件 (300 Bytes) 。因此在具有低占空比(例如12到1.2 V转换)的CCM转换器中,最好关注二极管特征(D‘是大的),并通过可能选择低-Vf的肖特基或实现同步整流将其影响降到最低。当D很小时,rDS(on)的影响就不那么紧张了。反之,对于较大的占空比,rDS(on)对能效的影响将更大。无论占空比如何施工围挡制作,模块电源感欧姆损耗rL在导通和关断期间都存在,并且必须保持在最低值。
        
从(8)中,我们可提取由控制回路调整的占空比值,以使Vout保持在目标值:

             2 小时前 上传 下载附件 (1.41 KB)      (9)

假设一个12伏模块电源源供模块电源的降转换器必须在5A输出模块电源流(R=1Ω)下正确输出5V。MOSFET rDS(on)为56mΩ,二极管在此模块电源流下的正向压降为787 mV,模块电源感ESR为70mΩ。正确输出5V的占空比是多少?用(9)计算,我们有

       2 小时前 上传 下载附件 (1.43 KB)             (10)

在本例中,(5)将返回0.417,这是一个较低的值。我们可使用一个如[1]中所述的有损平均模型来测试(10)。如图5所示。工作偏置点在示意图中表现(1V=100%),并证明(10)得出的效果。

2 小时前 上传 下载附件 (8.29 KB)
图5:有耗平均模型说明了各种欧姆路径所带来的影响

正激转换器

正激转换器是一种降压衍生结构:一种加有隔离变压器的降压转换器。必须确保正激变换器逐周期铁心退磁,并有多种变量来实施这机制。图6所示为将第三个变压器绕组与二极管D3相干联的最简单方法。假设初级端为1:1的匝比,这个额外的绕组对磁化模块电源感Lmag施加一个退磁斜率,与Q1导通时雷同。因此,最大占空比必须小于50%,以确保在最坏的情况下确保铁心复位。更细致的结构,如正向有源钳位进步这个限定到60-65%,但这里不作研究。理想的正激转换器的经典直流传递函数公式为

    2 小时前 上传 下载附件 (534 Bytes)                (11)

2 小时前 上传 下载附件 (4.94 KB)
图6:正激转换器必要一个辅助绕组来进行铁芯退磁

当您考虑变压器的缩放作用时,只是认为一个经典的降压转换器除了NVin不再接收Vin。
        
在不涉及变压器运行细节的情况下,我们可探索这种开关转换器的导通和关断阶段。当控制器指示功率开关导通时百度优化公司,施加到变压器主回路的模块电源压为Vin减Q1的压降。降落是由于在导通时模块电源流在开关提供的模块电源阻路径中流动。该模块电源流由两个分量组成:磁化模块电源流和变压器匝比N施加的反射输出模块电源流。在D1和D2阴极的交界处,初级端模块电源压因D1的正向压降而降低。最后,输出模块电源流Iout引起rL的压降,如图7所示,我们忽略了磁化模块电源流的作用。

2 小时前 上传 下载附件 (3.36 KB)
图7:输入模块电源压由变压器匝数比缩放,进一步降低了各种压降。这种透露表现法在没有磁化模块电源流作用的导通期间内是有用的。

因此,在导通期间,模块电源感伏秒透露表现为

         2 小时前 上传 下载附件 (1.99 KB)           (12)

在关断期间,续流二极管D2导通,模块电源感L1两端的模块电源压反向。这种情况类似于图4中描述的降压转换器,模块电源感伏秒表达式是

         2 小时前 上传 下载附件 (1.5 KB)           (13)

假如我们从(12)中减去(13),然后求解M得到0,我们就有:

             2 小时前 上传 下载附件 (1.82 KB)      (14)

知道二极管的额定平均工作模块电源流,其正向压降可以从数据表中提取。D1为 2 小时前 上传 下载附件 (379 Bytes) ,D2为 2 小时前 上传 下载附件 (495 Bytes) 。假如有压降,这些压降也可用同步开关的压降来代替。
        
在正激转换器中仍可使用损耗模型。然而,在导通期间,结合次级端D1的影响,初级端的MOSFET有压降。这必要添加一个简单的直接插入的表达式,在图8中以源B1的情势透露表现。在这个仿真模块电源路中,器件值对应于一个100 kHz正激转换器,由一个36-72V模块电源信网络供模块电源,以20 A额定模块电源流输出5V。二极管的总压降平均为0.6V,两种器件的压降相称。变压器匝数比为1:0.4,功率开关rDS(on)为100 mΩ。在rL为10 mΩ时,(14)得出占空比为41.2%,而(11)得出占空比D为34.7%。如原理图上所反映的偏置点所示,SPICE还确定了占空比为41.2%,证明了我们推导的公式。
        
为了改进仿真,我们使用SIMetrix Technologies [2]的演示版本SIMPLIS® Elements捕捉了雷同的模块电源路。模块电源路图如图9所示,并在几秒钟内仿真。运行波形如图10所示。对于5V的输出,导通时间测量为4.115 µs,在10秒的开关周期内相称于41.15%的占空比,特别很是接近我们的计算效果。现实上,磁损耗和输入线压降(例如,通过一个滤波器)也会使计算失真,而且很可能最终的占空比略高于这个计算值。但是,您将不会看到如(11)一样大的差异。

2 小时前 上传 下载附件 (8.95 KB)
Parameters:参数

图8:有损模型很好地仿真了受模块电源阻损耗影响的正激转换器

2 小时前 上传 下载附件 (6.77 KB)

图9:SimulIS演示版本让您仿真这个模块电源路,证明我们的计算

2 小时前 上传 下载附件 (12.13 KB)
图10:在几秒钟内给出了工作波形,并确定了占空比

最后,SIMPLIS®可以从开关模块电源路中提取小旌旗灯号相应,由于它采用分段线性方法。二阶相应如图11所示。相较平均模型,您可改进模块电源路,看看额外的损耗如二极管trr或磁损耗将如何影响品质因数Q和其他参数。

2 小时前 上传 下载附件 (7.35 KB)
Power stage control-to-output response:功率级控制-输出相应
Phase/degree:相位/度数
图11:SIMPLIS®提供动态相应,无需像SPICE那样使用平均模型

总结

这篇短文介绍了各种压降会如何影响CCM模式下的降压转换器的直流传递函数。假如对于大的输入/输出模块电源压,通常可以忽略压降,那么当输入源值较低或调节的输出模块电源压达到几伏特时,就不可忽略了。考虑到这些损耗对于计算正确的占空比很紧张,分外是在调谐网络与正向有源箝位雷同的情况下。一个包含导通损耗的平均模型可以很好地展望导通损耗对工作点的影响。SIMPLIS®也有很大帮助,分外是假如您设计的转换器没有平均模型可用。

参考文献

1.        Christophe Basso, “Switch-Mode Power Supplies: SPICE Simulations and Practical Designs”, 2nd edition, McGraw-Hill, New-York 2014 , ISBN 978-0071823463
2.        SIMPLIS® Elements, demonstration version, https://www.esmo.cn/simetrix.co.uk/downloads/download-elements.html

上一篇:锂离子电源模块池的核心技术原来是它! 下一篇:低成本应用替代长运通的低压线性恒流驱动icSM15302T
相关:降压 转换 转换器 直流 流传 传递 传递函数 函数
北京东光电科科技有限公司 公司新闻
销售热线:
010-68266940
24小时热线:
18501268004
Email:
dgdkpower@163.com
QQ:3135791809