功率电感器基础讲座——第2章:DC-DC转换器

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第1章介绍了功率电感器特性的查看方法及工艺特点上的差异。

功率电感器是构成DC-DC转换器等电压变化电路的功能部件,因此其优劣和常数的选择需要符合DC-DC转换器的工作机制。本章介绍DC-DC转换器的工作机制和功率电感器的作用。

2.1 DC-DC转换器简介

DC-DC转换器是将一定范围的输入电压转换为恒定输出电压的电路总称。 其转换方式包括线性稳压器和开关稳压器。另外,电路配置因输入电压的升降而不同,存在多种类型。

图2-1 DC-DC转换器的定义

图2-1 DC-DC转换器的定义

2.2 配置DC-DC转换器的必要性

只有电源电路需要配置DC-DC转换器。CPU、内存、LED等配件的运行需要各种DC电压。例如,移动设备的锂离子电池,其电池电压仅为3.7V。调整这些电压差需要配置DC-DC转换器。DC-DC转换器的应用非常普遍,几乎所有电子设备都需要使用。

图2-2 配置DC-DC转换器的必要性

图2-2 配置DC-DC转换器的必要性

2.3 DC-DC转换器的分类

DC-DC转换器分为线性稳压器和开关稳压器。

图2-3 DC-DC转换器的分类

图2-3 DC-DC转换器的分类

2.3.1 线性稳压器的原理

线性稳压器采用最简单的方式,通过电阻分压转换电压。例如,希望将输入电压的一半转换为输出电压时,可使负载电阻和稳压器的可变电阻相同。

图2-3-1 线性稳压器的原理

图2-3-1 线性稳压器的原理

本方式具有简单、低价的特点,但由于使用电阻,因此具有输入/输出的电位差越大,功率损耗也越大(效率降低)的缺点,从而导致移动设备等的电池使用时间缩短。部分设备还会配置冷却机构,以降低因功率损耗而产生的热量。因此,大多数情况用于功耗较低、输入/输出电位差较小的电路,而功耗较高的电路基本使用开关稳压器。

2.3.2 开关稳压器的原理

开关稳压器由开关元件、电感器和电容器等功能部件的组合电路构成。可通过快速切换开关的ON/OFF以调节输出电压,在理想状态下可实现无损耗电压转换。

图2-3-2 开关稳压器的原理

图2-3-2 开关稳压器的原理

本方式分为绝缘型和非绝缘型。绝缘型开关稳压器采用输入电压(1次侧)和输出电压(2次侧)通过变压器实现绝缘的方式。转换高压电路时,用于防止触电或漏电事故。非绝缘型是相对于绝缘型的叫法,不使用变压器,是输入电压和输出电压之间未进行绝缘的方式。大部分使用电池的移动设备及车载设备的电压较低,因此使用非绝缘型DC-DC转换器。

本节介绍非绝缘型DC-DC转换器的使用示例和具体的工作机制。

2.4 DC-DC转换器的使用示例

下面介绍在智能手机和汽车中使用非绝缘型DC-DC转换器的示例。

2.4.1 案例介绍:智能手机

智能手机的以下配件使用DC-DC转换器

本节介绍数字电路电源、RF电路电源、显示电路电源的具体示例。

图2-4-1 智能手机中DC-DC转换器的应用点

图2-4-1 智能手机中DC-DC转换器的应用点

1) 数字电路电源(PMIC*1)

数字电路主要指CPU、GPU、Memory等的电路。数字电路的特点是:比起3.6-3.8V的电池电压,驱动电压仅为0.8-1.8V。因此,需要配置降压型DC-DC转换器。所用DC-DC转换器的特点是:转换频率高、输出电流大。使用体积小、L电感值较低(L约为1uH)的功率电感器。

*1) PMIC:Power Management IC。用于需要配置多通道DC-DC转换器的多功能LSI、且配有多个DC-DC转换器和控制微机的IC。

图2-4-1-1 在数字电路中的使用案例

图2-4-1-1 在数字电路中的使用案例

2) RF电路电源

继数字电路之后,较多使用DC-DC转换器的电路为RF电路。与DC-DC转换器相关的RF电路主要指包络跟踪IC (ET IC)、基带处理器、蓝牙模块、Wifi模块等的电路。以低于电池的电压驱动,因此需要配置降压型DC-DC转换器。DC-DC转换器的特点是兼有模块化类型,功率电感器及电容器配置于内部(L约为2.2uH)。

图2-4-1-2 在RF电路中的使用案例

图2-4-1-2 在RF电路中的使用案例

3) 显示电路电源

智能手机显示屏也使用了DC-DC转换器。液晶显示器的LED背光及有机EL显示面板所需的电压高于电池,因此采用升压型DC-DC转换器。LED背光根据灯的数量调节输出电压。DC-DC转换器的特点是采用高耐压开关元件,因此难以设置为较高的转换频率。因此使用L电感值较高(L约为10uH)的功率电感器。

图2-4-1-3 在显示电路中的使用案例

图2-4-1-3 在显示电路中的使用案例


2.4.2 案例介绍:汽车/Automotive

汽车普遍使用非绝缘型DC-DC转换器。汽车应用大致分为以下几种:
Power Train及Safety较多使用单路输出DC-DC转换器,Infotainment还会使用PMIC。与智能手机的主要差异为,运行电压较大,需将DC-DC转换器的输入电压调节为12V或48V。应用种类丰富,电感值根据用途会有较大差异。

使用功率电感器的主要应用

  • Powertrain
  • Safety
  • Infotainment
  • Comfort
  • xEV System
图2-4-2-1 汽车中DC-DC转换器的应用点

图2-4-2-1 汽车中DC-DC转换器的应用点

本节介绍Safety中使用的ADAS、Head Lamp及Infotainment中使用的IVI案例。

1) ADAS、IVI电源

ADAS及IVI中,驱动应用所需电压低于电池,因此使用降压型DC-DC转换器。电源配置与智能手机或PC类似。应用实例:ADAS的摄像头和传感器、IVI的音响系统。DC-DC转换器的特点是:电压从12V降为3.3~5.0V,然后根据应用继续降压,通常构成1次和2次降压电路。

图2-4-2-2 在ADAS,IVI中的使用案例

图2-4-2-2 在ADAS,IVI中的使用案例

2) Head Lamp电源

Head Lamp的LED照明主要使用升压型DC-DC转换器。根据灯的数量调节输出电压。DC-DC转换器的特点是:与智能手机的LED背光相同,使用电感值较高的功率电感器。

图2-4-2-3 在Head Lamp中的使用案例

图2-4-2-3 在Head Lamp中的使用案例

2.5 DC-DC转换器的工作原理

下面介绍非绝缘型开关稳压器的工作机制。DC-DC转换器的结构分为降压型、升压型及升降压型。本节以降压型开关稳压器为例,对工作机制进行说明。

图2-5-1 降压型DC-DC转换器的基本图

图2-5-1 降压型DC-DC转换器的基本图

图2-5-1为降压型开关稳压器的基本电路图。电路配置了1个功率电感器。SW1为ON时SW2为OFF,SW1为OFF时SW2为ON。 SW在ON/OFF之间切换时的电路变化如图2-5-2所示。假设功率电感器输入侧端子的位置为A点。

SW1为ON、SW2为OFF时,输入电源的电压将直接供给功率电感器,因此A点的电位与Vin相等。SW1为OFF、SW2为ON时,功率电感器与输入电源断开,并连接到GND。因此A点的电位与GND相等。

图2-5-2 开关ON/OFF时的工作原理

图2-5-2 开关ON/OFF时的工作原理

这2种状态因转换动作而重复,功率电感器的输入侧(A点)电压在Vin[V]与0[V]之间交替重复。功率电感器的输入侧被施加振幅Vin的脉冲电压。

为了向输出侧供给恒压,功率电感器应如何工作?功率电感器和平滑电容器构成了LC低通滤波器电路。输入侧施加的脉冲电压经过LC电路的平滑化处理后输出。如此考虑就容易理解恒压输出机制。

图2-5-3所示为进行转换动作时A点电压与Vout的关系。上图表示SW1为ON的时间占50%,即占空比为50%。对此时的电压进行平滑化处理后,50% Vin的Vin/2将作为输出电压Vout输出。下图所示为占空比25%的情况。25% Vin的Vin/4将作为输出电压Vout输出。 即,输出电压越高占空比也越高,反之亦然。开关稳压器可通过更改转换的占空比,控制各种电压值后进行输出。

图2-5-3 降压型DC-DC转换器的电压控制图

图2-5-3 降压型DC-DC转换器的电压控制图

根据上述分析,可以认为通过开关控制能对输出电压进行控制。但在选择功率电感器之前,必须了解功率电感器的规格将对效率和噪声产生何种影响。为此需要对电感器的电流进行说明。

下面谈一谈电感器电流。 如上所述,功率电感器可对脉冲电压进行平滑化处理,此外还有一个重要作用,它取决于电感器的自感特性。如图2-5-2所示,SW1为ON时输入侧供给的电流为Iout,SW1变为OFF后,输入电源立刻断开,从而无法供给Iout。功率电感器可以解决这个问题。电感器具有自感特性,会沿着阻碍电流变化的方向产生感应电动势。因此,即使电感器上施加的电压消失,也可确保继续产生电流。

图2-5-4 功率电感器的电压电流波形

图2-5-4 功率电感器的电压电流波形

图2-5-4为DC-DC转换器工作时,功率电感器的电压波形和电流波形。SW1为ON时,输入电源通电,电感器产生电流。此时,电流随时间增加而上升,积蓄的能量也随之增加。SW1为OFF时,输入侧电压变为0[V],根据电感器的特性,电流不立即消失,而随时间增加而逐渐减少。也可认为SW1为ON时积蓄的能量在OFF时释放。

功率电感器使电流连续产生,呈现三角波形。流经电感器的三角波电流振幅公式如下。

三角波电流振幅公式


上式的各项参数如何影响工作电流波形?

本公司曾发布web工具“DC-DC转换器辅助设计工具”。该工具可以选择符合DC-DC转换器运行条件的功率电感器和多层陶瓷电容器。下面介绍使用本工具后,各种参数对DC-DC转换器的运行产生何种影响。

DC-DC转换器辅助设计工具

图2-5-5 DC-DC转换器辅助设计工具示例

图2-5-5 DC-DC转换器辅助设计工具示例

按以下方式设置标准条件,模拟各参数变动时的情况。(将模拟工具的计算结果导出为CSV文件后,根据该文件生成图表。)

<标准条件>
Vin:3.6V
Vout:1.8V
周波数:2MHz
Iout:1.5A
L:1.0μH

Vin、Vout是决定电感器电压大小和占空比的参数。改变Vout后,电压波形随之变化(图2-5-6)。改变其他参数后,频率发生变化,但电压大小和占空比不变。电压变动后,电流波形随之变化。
如果Vin、Vout设为较大值,则时间变化后电流变化量也呈增大趋势,纹波电流⊿I变大。

电感或频率变动时电压不变,但纹波电流会受到影响。电感增大会抑制电流变化,因此纹波电流将变小(图2-5-7)。频率增加会使1个循环的时间变短,因此纹波电流将变小(图2-5-8)。
Iout变动时,三角波电流的波形不变,但电流平均值会随Iout的大小而变化(图2-5-9)。

图2-5-6 Vout变动时的电压电流波形

图2-5-6 Vout变动时的电压电流波形

图2-5-7 电感变动时的电压电流波形

图2-5-7 电感变动时的电压电流波形

图2-5-8 频率变动时的电压电流波形

图2-5-8 频率变动时的电压电流波形

图2-5-9 Iout变动时的电压电流波形

图2-5-9 Iout变动时的电压电流波形


功率电感器的电压和电流波形取决于DC-DC转换器的各条件和功率电感器的电感。

1.2节对电感和直流叠加特性进行了说明。如果电感过低,则纹波电流将变大,如果直流叠加特性不佳,会在通入大电流时导致电感降低,从而使纹波电流增加。此类电感器的规格对DC-DC转换器的运行产生较大影响。

第2章对DC-DC转换器的种类和工作机制进行了说明。

要掌握功率电感器的必要特性,应了解工作机制和电感器电流的波形,这一点非常重要。

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