交錯技術顯著提高升壓轉換效率-新品速遞

精品文檔-下載后可編輯交錯技術顯著提高升壓轉換效率-新品速遞交錯技術顯著提高升壓轉換效率升壓電源常用于將低壓輸入轉換成較高電壓。不過，隨著這些電源的功率需求不斷增加，單個功率級可能變得缺乏吸引力。本文將介紹一種交錯式升壓技術，無論從分析還是從實際應用經(jīng)驗上來說，該技術在效率、尺寸及成本方面均優(yōu)于單升壓轉換器(single-boostconverter)。本文對250W單相電源與交錯式升壓電源的測試結果進行了對比。盡管復雜性有所增加，不過交錯式升壓卻表現(xiàn)出具有卓越的性能。前言本文將以輸入電壓為12V、輸出為7A、37V的噴墨打印機電磁線圈驅動器為例介紹電源結構的選擇。該電源的輸入電流超過20A。初我們并不清楚單相功率級合理，還是多相功率級合理。與采用降壓穩(wěn)壓器一樣，我們可以獲得足夠高的電流，從而采用雙功率級來降低應力并進行散熱。在此情況下，我們考慮采用了單相與雙相升壓結構(two-phaseboosttopology)。相應的電源需求。這個電源必須能夠承受電磁線圈啟動和關閉時出現(xiàn)的大電流突波，并將所需輸出電壓保持在可以接受的范圍內。另外，轉換效率對于化功率耗損和維持正常溫升同樣至關重要。37V和7A代表超過250W的負載功率。就算轉換效率達到91％，電源仍然會浪費25W的功率，因此需要安裝多個散熱片。此外，盡管本文并未特別說明，但是電源的大小與成本也相當重要。圖1顯示了兩種電源的對比。上面的電源是采用單輸入電感的單相設計，而下面的電路是雙相設計。單相設計（上面部分）需要的PWB面積大約為18平方英寸，而交錯式設計（下面部分）需要14平方英寸。兩種方案之間的面積差異在于電感、輸出電容和散熱片。交錯式電感的高度低于單相設計的高度。單相與雙相對比單相升壓轉換器和交錯式升壓轉換器的示意圖。在單相設計中，閘極電壓會施加在FETQ1，以下拉漏極至接地電位。這樣可以在電感L1上施加輸入電壓，使電流上升。其間，輸出電容C2必須單獨提供負載所需電流。在Q1停止導通時，L1為了維持電流，其兩端的電壓極性會立刻反轉。使得切換點的電壓高于輸入電壓，此時二極管D1進入正向偏置狀態(tài)，為輸出電容C2充電并提供輸出負載電流。電感的伏特-微秒乘積在這兩種開關狀態(tài)下必須保持平衡，即d/fs×Vin=(1-d)/fs×(Vout-Vin)，得出關系式Vout=Vin/(1-d)。該公式只適用于連續(xù)導通模式(CCM)，該模式的定義為電感電流始終保持正極。交錯式升壓電路中，每個相的工作方式都與上述單相升壓相似。兩個功率級會以反相180。的方式運行，使得輸入和輸出電容的紋波電流互相抵消。交錯式升壓設計會強迫兩個功率級共同提供輸出電流，使得電源輸出由它們平均分擔；如果工程師不采用這種設計，其中一個功率級的電流輸出就會遠大于另一個功率級，使得原有的紋波消除優(yōu)點化為烏有。設計分析交錯式技術提供的輸入電容紋波電流消除優(yōu)勢。可以看出，兩個以180。相位差工作的功率級可以消除一半峰/峰紋波電流。由于交錯式升壓設計的組合輸入紋波電流等于單相輸入紋波電流，因此雙相設計的單相紋波電流可以達到單相設計的兩倍。單獨交錯式功率級以與單相設計相同的頻率工作，即100KHz。但是，由于紋波消除作用，它的有效輸入與輸出紋波變?yōu)?00KHz。因此在計算交錯式設計的電感時，適用的頻率雖和單相設計完全相同，但能允許的紋波電流卻會增加一倍，使得設計所需的電感值得以減少一半。值得注意的是：在雙相設計中，輸入電容的有效紋波電流與單相設計相同，因此這兩種設計會采用相同數(shù)量的輸入電容。紋波消除作用能夠使工程師有選擇性地減少組件，從而使設計受益。另外，如果采用的兩個電感與單相設計采用的電感值相同，輸入電容需求可以降低50％。在升壓設計中，電感需求一般比輸入電容需求更重要。就像輸入電容一樣，交錯式設計的輸入電容也能享受同樣的好處。單相設計的輸出電容紋波電流。電流波形的均方值約為Ipp×√(d×(1-d))，在本設計中等于10Arm。電感的斜率可以從波形頂部看出，但是它并不顯著增加總的RMS電流。在FET導通時，該電容提供所有的輸出電流。不過，當FET截止時，會有相當于Iout×d/(1-d)或+14A的電流流入電容，并對它重新充電。在采用鋁電解輸出電容的情況下，電容紋波電流額定值決定所需要的電容數(shù)量。交錯式升壓設計中，個別輸出電容的電流值及它們的總和。在不考慮電感斜率的情況下，相位A與相位B的峰/峰電流幅值是單相設計的一半。這是因為流入輸出電容的電流的占空比是單相設計的兩倍。綜合電流或總電流的均方根值是5Arm，因此設計只需采用一半輸出電容，即可讓紋波電壓達到與單相設計相同的紋波電壓。是不同占空比下的紋波電流消除。垂直線表示工作占空比，從中可以看出在此占空比下，交錯式升壓設計的RMS電流等于單相位設計的一半。值得注意的是，50％的占空比可以提供完全消除的效果。單相與交錯式升壓轉換器的完整設計。在單相設計中，在電壓模式下工作的UCC38C43驅動一對MOSFET。由于在升壓轉換器短路情況下無法限制輸出電流，因此采用了帶有過電流保護電路的TPS2490熱插拔器件。在測試過程中發(fā)現(xiàn)，在過電流故障情況下它可以提供一種“中止”電流流動的方法。點擊看原圖采用UCC38220控制器的交錯式設計。利用Q5與Q7漏極引線中的小型低成本電流互感器感測FET電流。UCC28220迫使相位之間實現(xiàn)相等的電流共享。降低整流器的電流可以消除對散熱片的需求并且降低組裝成本。點擊看原圖試驗結果這兩種設計在效率、輸入與輸出紋波電壓以及瞬態(tài)負載方面的對比結果顯示，在大部分情況下，雙相設計的性能都優(yōu)于單相設計。對比兩種方法的效率。它們都能夠滿足91％的目標效率。不過，雙相設計在滿負載情況下的效率高兩個百分點。雖然這看起來可能并不明顯，但是若比較兩種電源的損耗差異，就會發(fā)現(xiàn)其中差別很大。單相設計消耗23W，而雙相設計僅消耗16W。這相當于熱損耗降低30％，因而必將對散熱片的選擇與熱功耗設計產(chǎn)生一定影響。單相曲線很快達到值，然后開始迅速下降。這是傳導損耗較高的設計的特性。兩種設計的明顯差異體現(xiàn)在電感、升壓二極管、輸出電容與PWB的損耗。表2對比了電感需求與設計性能。如前所述，雙相方法采用的電感比單相設計低得多，而且每個電感僅承載一半的電流。電感的體積取決于蓄能需求與溫度的升幅。蓄能大小由（1/2×L×I2）決定，而表2說明單相設計的蓄能是雙相設計的5倍。這意味著，如果我們要使電感的溫度升幅保持相同，則單相設計的電感應當大5倍。我們認為與其保持相等的能量密度，不如允許較大的溫度升幅。我們在單相設計中使用損耗較大的電感因而犧牲了部分效率。結果，單相設計的損耗高出了近5W。在這兩種設計的功耗差異中，輸出電容大約占1W。每個輸出電容的紋波電流造成大約100mW的損耗，而且單相設計需要的電容比雙相設計多出6個。雙相設計的功率級必須采用兩個二極管，每個二極管承擔總電流的一半。這樣它們具有較低的壓降，可使總功耗降低大約1W。小結與降壓穩(wěn)壓器一樣，交錯式升壓設計的性能也優(yōu)于單相設計。從表3中完整的單相升壓設計與交錯式升壓設計的對比即可看出。交錯式升壓設計體積更小，效率更高。這是因為它能減少輸出紋波