1引言
DC/DC模塊是目前電源產業(yè)中較為成熟的產品,國內外許多廠家都有其技術成熟、各具特色的品種、規(guī)格。DC/DC模塊的廣泛應用,簡化了產品設計,提高了產品可靠性,為DC/DC、DC/AC產品的二次開發(fā)提供了有利條件。
VICOR(懷格)公司是美國的專業(yè)模塊電源生產廠家,其產品最大特點是功率密度高、可靠性好。產品系列覆蓋10W~600W,輸入輸出隔離,使用方便,廣泛應用于電信、工控、電力電子、軍工、三航等領域。第一代VICOR模塊借以提高電源轉換效率的核心技術是ZCS(零電流開關)技術;第二代VICOR模塊使用了ZCS/ZVS(零電流/零電壓開關)技術,為通信專用48V輸入系列。二者原理相似,并且功能、管腳兼容,這里以現在市場上較多的VICOR第一代模塊(VI-2XX、VI-JXX、MI-2XX、MI-JXX等)為例,介紹該類產品的原理及應用過程中的經驗。
圖1原理框圖(VI-J00系列無*部分)
圖2ZCS技術
2VICOR模塊介紹
2.1原理簡介
該DC/DC模塊電路結構與通常的斬波DC/DC轉換器相似,可參考原理框圖(見圖1)及相關資料,這里不再贅述。
在原理上,VICOR模塊區(qū)別于通常產品之處主要是它使用了軟開關的ZCS技術,見圖2。
通常的硬開關斬波器波形近似為矩形波,即強迫開關器件在電壓不為零時開通,電流不為零時關斷,這樣在矩形波的邊沿就會因寄生參數而產生高頻振蕩,導致開關損耗增大,頻率越高,開關損耗越大;而VICOR模塊應用諧振技術,使開關器件中的電流波形近似于半周期的正弦信號,這樣開關的導通、關斷時刻都對應零輸入電流(即開關管電流),從而即使開關頻率超過1MHz,開關損耗也只占極小的百分比。高的開關頻率、低的開關損耗便產生了一系列優(yōu)點:功率密度高、傳導和輻射噪聲小、響應快、轉換效率高等。
VICOR模塊的另一特點是輸出電壓可在額定值基礎上,在5%到110%的范圍內方便地調節(jié)(12V、15V是±10%)。電路原理參見圖3。
內部誤差放大器的負輸入端是輸出電壓的采樣值,正輸入端與Trim端相連。當Trim端懸空時,其上的電位由2.5V的基準源(Bandgap)決定,亦為2.5V,此時電路輸出為額定值。以簡單的外接電阻網絡,通過調節(jié)Trim端電壓(即誤差放大器的基準電壓),可相應地調節(jié)輸出電壓。
圖3VICOR模塊調壓原理
圖4DC/DC模塊管腳
降壓時外接元件值的計算與額定輸出電壓無關。只需在Trim端與-OUT端間接一電阻與R5分壓以確定Trim端電壓。其值的計算方法如下(以-20%為例):
要使輸出電壓降低20%,Trim端電壓也需降低20%,這些電壓都降落在內部電阻R5上:
UR5=2.5V×20%=0.5V
IR5=0.5V/10kΩ=50μA
IR5=IRd
故Rd=(2.5V-0.5V)/50μA=40kΩ
升壓時,需提高Trim端電壓,一般是從+OUT端接一電阻Ru到Trim端,故外接元件值的計算與額定輸出電壓相關。Ru的計算方法如下(以24V提高5%為例):
要使輸出電壓提高5%,Trim端電壓也需相應提高5%,這些電壓也都降落在內部電阻R5上(但方向與降壓時相反):
UR5=2.5V×5%=0.125V
IR5=0.125V/10kΩ=12.5μA
IR5=IRu
又URu=Uout-Utrim
=(24V+24V×5%)-(2.5V+0.125V)
=22.575V
故Ru=22.575V/12.5μA=1.8MΩ
當用VICOR模塊進行二次開發(fā)時,有時要利用Trim功能構成閉環(huán)(見本文的應用舉例),此時就不需要上述的電阻網絡。但需注意的是,對于‘-2XX’模塊,若Trim端電壓超過一定值時,模塊將會發(fā)生過壓保護關斷(OVPShutDown),此值額定為2.75V(實際值一般略高于此值,可達3V)。為避免模塊的保護性關斷,必須有措施防止此端電壓過高。
2.2管腳含義及接法
DC/DC模塊管腳圖見圖4。
+IN、-IN:直流電壓輸入正、負端。輸入電壓可在額定值的-(20~50)%到+(25~60)%范圍內變動,具體值請參閱產品數據手冊。
GATEOUT:當多個模塊并聯(lián)以提高輸出功率時,此端輸出的脈沖信號可用于模塊間的同步。同步信號一般按‘雛菊鏈’連接,即一模塊的GATEOUT端連到下一模塊的GATEIN端,可以得到幾乎沒有限制的功率提升能力。
GATEIN:此端是集電極開路結構,可以看作模塊的使能/同步端。當它被拉低時(以-IN為基準,低于0.65V,6mA),模塊關閉;浮空時,模塊工作。另外,模塊頻繁開關時,此端接1μF左右電容,可提供軟起動功能。
+S、-S:正、負輸出電壓感受/遙感端。若+S端電壓高于額定輸出值的110%,將激活模塊的過壓保護功能(‘-JXX’無過壓保護功能),關閉模塊。-S端電位不可超過0.25V,否則電流限制點將提高。
這兩端用于遙感(REMOTESENSING),即當負載離模塊較遠、負載電流較大時,將+S與+OUT、-S與-OUT分別與負載兩端相連,模塊將略微提高輸出電壓以補償+OUT、-OUT連線上的壓降,從而保證負載上的電壓為額定值。當不需要遙感時,須將+S與+OUT、-S與-OUT直接相連。
TRIM:此端使輸出電壓在額定值的5%到110%的范圍內可調。
+OUT、-OUT:直流電壓輸出正、負端。
2.3應用注意
(1)若將輸出電壓調低,因為截流點(CURRENTLIMMITPOINT)并不隨之變化,輸出功率將降低。此外效率降低、輸出電壓紋波百分比升高、輸入電壓范圍變寬。注意,此時應提供一額定輸出功率1%的假負載,若調得低于75%,所需的假負載更大。
輸出電壓升高時,上述參數相反變化,此時應注意不可超過額定功率,因此,不可將輸出電壓調得高于額定值的110%。
(2)模塊應接到一呈低交流阻抗的源上。若不能保證源的低阻抗,應在模塊輸入端就近安裝一電解電容,其最小值為:C=400μF/Uin.min。
(3)按VICOR的規(guī)程,即使沒有EMI/RFI要求,模塊也應被適當地旁路。一般可用RC串聯(lián)網絡將
+IN、-IN分別與基板相連,C為Y級4700p,R是為降低Q值用,選1Ω。用RC并聯(lián)網絡將+OUT、-OUT分別與基板相連,C也為Y級4700p,R為2MΩ。連線應盡量短。
(4)因VICOR模塊效率較高,對散熱的要求相對較低。但為了提高模塊及系統(tǒng)的MTBF,常規(guī)的散熱考慮和設計準則都應遵循。模塊與其散熱的底盤之間應有良好的導熱性,并且是電絕緣的。
3應用實例
圖5應用電路框圖(1)
圖6應用電路框圖(2)
(1)利用兩只VICOR模塊,設計一輸入24VDC、輸出36V/400Hz的線性逆變電源。模塊本身輸入24V,輸出24V,輸出功率50W。原理框圖如圖5所示。
兩只模塊輸入并聯(lián),輸出串聯(lián),運放輸出為30Vpp電壓。為在滿載時輸出也不出現削頂失真的同時,盡量降低額外的功率損耗,需將模塊輸出調到17V,為此,在模塊的TRIM端接固定調節(jié)電阻到各自的-OUT端。電路有內外兩個反饋環(huán),其中外環(huán)調節(jié)波形發(fā)生器的參考電壓實現輸出電壓的穩(wěn)定。
VICOR模塊的+IN、-IN、+OUT、-OUT端均按2.3(3)條所述,連接阻容網絡到基板,以使耦合到輸出電壓上的高頻干擾最小。
(2)在VICOR模塊基礎上進行二次開發(fā),設計—輸出電壓為36V/400Hz的小型三相逆變電源。原理框圖如圖6所示。
模塊型號為VI-2W4-CV,輸入24V,輸出48V,輸出功率150W。逆變部分產生交流輸出,因直流源、開關管、濾波電感均有阻抗存在,帶載后輸出電壓將降低。反饋環(huán)節(jié)取自輸出并整流、倒相、緩沖,得到一變化方向與輸出相反的反饋信號,其幅值不大于2.7V。將此信號接到下模塊的TRIM端,就構成了負反饋閉環(huán)。調節(jié)反饋系數,可以在規(guī)定的負載變動范圍內(空、滿載),使該模塊輸出電壓相應地在38~50V之間變動,系統(tǒng)輸出電壓也被穩(wěn)定在36V。