Pg电子游戏：电源模块原理
电源模块原理电源模块原理电源模块原理 默认分类默认分类默认分类 2009-05-1914:562009-05-1914:562009-05-1914:56阅读阅读阅读283283283评论评论评论000 字号：字号：字号： 大大大中中中小小小 VICORVICORVICOR电源模块原理：电源模块原理：电源模块原理： 该该该DC/DCDC/DCDC/DC模块电路结构与通常的斩波模块电路结构与通常的斩波模块电路结构与通常的斩波DC/DCDC/DCDC/DC转换器相似，可参考原理框图（见图转换器相似，可参考原理框图（见图转换器相似，可参考原理框图（见图111）及相关资）及相关资）及相关资 料，这里不再赘述。料，这里不再赘述。料，这里不再赘述。 在原理上，在原理上，在原理上，VICORVICORVICOR模块区别于通常产品之处主要是它使用了软开关的模块区别于通常产品之处主要是它使用了软开关的模块区别于通常产品之处主要是它使用了软开关的ZCSZCSZCS技术，见图技术，见图技术，见图222。。。 通常的硬开关斩波器波形近似为矩形波，即强迫开关器件在电压不为零时开通，电流不为零时关断，通常的硬开关斩波器波形近似为矩形波，即强迫开关器件在电压不为零时开通，电流不为零时关断，通常的硬开关斩波器波形近似为矩形波，即强迫开关器件在电压不为零时开通，电流不为零时关断， 这样在矩形波的边沿就会因寄生参数而产生高频振荡，导致开关损耗增大，频率越高，开关损耗越大；而这样在矩形波的边沿就会因寄生参数而产生高频振荡，导致开关损耗增大，频率越高，开关损耗越大；而这样在矩形波的边沿就会因寄生参数而产生高频振荡，导致开关损耗增大，频率越高，开关损耗越大；而 VICORVICORVICOR模块应用谐振技术，使开关器件中的电流波形近似于半周期的正弦信号，这样开关的导通、关断时模块应用谐振技术，使开关器件中的电流波形近似于半周期的正弦信号，这样开关的导通、关断时模块应用谐振技术，使开关器件中的电流波形近似于半周期的正弦信号，这样开关的导通、关断时 刻都对应零输入电流（即开关管电流），从而即使开关频率超过刻都对应零输入电流（即开关管电流），从而即使开关频率超过刻都对应零输入电流（即开关管电流），从而即使开关频率超过1MHz1MHz1MHz，开关损耗也只占极小的百分比。，开关损耗也只占极小的百分比。，开关损耗也只占极小的百分比。 高的开关频率、低的开关损耗便产生了一系列优点：功率密度高、传导和辐射噪声小、响应快、转换效率高的开关频率、低的开关损耗便产生了一系列优点：功率密度高、传导和辐射噪声小、响应快、转换效率高的开关频率、低的开关损耗便产生了一系列优点：功率密度高、传导和辐射噪声小、响应快、转换效率 高等。高等。高等。 VICORVICORVICOR模块的另一特点是输出电压可在额定值基础上，在模块的另一特点是输出电压可在额定值基础上，在模块的另一特点是输出电压可在额定值基础上，在555％到％到％到110110110％的范围内方便地调节％的范围内方便地调节％的范围内方便地调节(12V(12V(12V、、、111 5V5V5V是是是±±±101010％％％)))。电路原理参见图。电路原理参见图。电路原理参见图333。。。 内部误差放大器的负输入端是输出电压的采样值，正输入端与内部误差放大器的负输入端是输出电压的采样值，正输入端与内部误差放大器的负输入端是输出电压的采样值，正输入端与TrimTrimTrim端相连。当端相连。当端相连。当TrimTrimTrim端悬空时，其端悬空时，其端悬空时，其 上的电位由上的电位由上的电位由2.5V2.5V2.5V的基准源（的基准源（的基准源（BandgapBandgapBandgap）决定，亦为）决定，亦为）决定，亦为2.5V2.5V2.5V，此时电路输出为额定值。以简单的外接电阻网，此时电路输出为额定值。以简单的外接电阻网，此时电路输出为额定值。以简单的外接电阻网 络，通过调节络，通过调节络，通过调节TrimTrimTrim端电压（即误差放大器的基准电压），可相应地调节输出电压。端电压（即误差放大器的基准电压），可相应地调节输出电压。端电压（即误差放大器的基准电压），可相应地调节输出电压。 降压时外接元件值的计算与额定输出电压无关。只需在降压时外接元件值的计算与额定输出电压无关。只需在降压时外接元件值的计算与额定输出电压无关。只需在TrimTrimTrim端与－端与－端与－OUTOUTOUT端间接一电阻与端间接一电阻与端间接一电阻与R5R5R5分压以分压以分压以 确定确定确定TrimTrimTrim端电压。其值的计算方法如下（以－端电压。其值的计算方法如下（以－端电压。其值的计算方法如下（以－202020％为例）：％为例）：％为例）： 要使输出电压降低要使输出电压降低要使输出电压降低202020％，％，％，TrimTrimTrim端电压也需降低端电压也需降低端电压也需降低202020％，这些电压都降落在内部电阻％，这些电压都降落在内部电阻％，这些电压都降落在内部电阻R5R5R5上：上：上： UR5=2.5V×UR5=2.5V×UR5=2.5V×202020％％％=0.5V=0.5V=0.5V IR5=0.5V/10kΩ=50μAIR5=0.5V/10kΩ=50μAIR5=0.5V/10kΩ=50μA IR5=IRdIR5=IRdIR5=IRd 故故故 Rd=(2.5VRd=(2.5VRd=(2.5V－－－0.5V)/50μA=40kΩ0.5V)/50μA=40kΩ0.5V)/50μA=40kΩ 升压时，需提高升压时，需提高升压时，需提高TrimTrimTrim端电压，一般是从＋端电压，一般是从＋端电压，一般是从＋OUTOUTOUT端接一电阻端接一电阻端接一电阻RuRuRu到到到TrimTrimTrim端，故外接元件值的计算与端，故外接元件值的计算与端，故外接元件值的计算与 额定输出电压相关。额定输出电压相关。额定输出电压相关。RuRuRu的计算方法如下（以的计算方法如下（以的计算方法如下（以24V24V 24V提高 提高 提高55 5％为例）： ％为例）： ％为例）： 要使输出电压提高 要使输出电压提高 要使输出电压提高 55 5％， ％， ％，Trim Trim Trim 端电压也需相应提高 端电压也需相应提高 端电压也需相应提高 55 5％，这些电压也都降落在内部电阻 ％，这些电压也都降落在内部电阻 ％，这些电压也都降落在内部电阻 R5 R5 R5 上（但方 上（但方 上（但方 向与降压时相反）： 向与降压时相反）： 向与降压时相反）： UR5=2.5V× UR5=2.5V× UR5=2.5V×55 5％％ ％=0.125V =0.125V =0.125V IR5=0.125V/10kΩ=12.5μA IR5=0.125V/10kΩ=12.5μA IR5=0.125V/10kΩ=12.5μA IR5=IRu IR5=IRu IR5=IRu 又又 又 URu=Uout URu=Uout URu=Uout－－ －Utrim Utrim Utrim =(24V =(24V =(24V＋＋ ＋24V× 24V× 24V×55 5％％ ％)) )－－ －(2.5V (2.5V (2.5V＋＋ ＋0.125V) 0.125V) 0.125V) =22.575V =22.575V =22.575V 故故 故 Ru=22.575V/12.5μA=1.8MΩ Ru=22.575V/12.5μA=1.8MΩ Ru=22.575V/12.5μA=1.8MΩ 当用 当用 当用VICOR VICOR VICOR 模块进行二次开发时，有时要利用 模块进行二次开发时，有时要利用 模块进行二次开发时，有时要利用 Trim Trim Trim 功能构成闭环（见本文的应用举例），此时就 功能构成闭环（见本文的应用举例），此时就 功能构成闭环（见本文的应用举例），此时就 不需要上述的电阻网络。但需注意的是，对于 不需要上述的电阻网络。但需注意的是，对于 不需要上述的电阻网络。但需注意的是，对于‘‘ ‘－－ －2XX’ 2XX’ 2XX’模块，若 模块，若 模块，若 Trim Trim Trim 端电压超过一定值时，模块将会发生 端电压超过一定值时，模块将会发生 端电压超过一定值时，模块将会发生 过压保护关断（ 过压保护关断（ 过压保护关断（OVPShutDown OVPShutDown OVPShutDown），此值额定为 ），此值额定为 ），此值额定为 2.75V 2.75V 2.75V（实际值一般略高于此值，可达 （实际值一般略高于此值，可达 （实际值一般略高于此值，可达 3V 3V 3V）。为避免模块 ）。为避免模块 ）。为避免模块 的保护性关断，必须有措施防止此端电压过高。 的保护性关断，必须有措施防止此端电压过高。 的保护性关断，必须有措施防止此端电压过高。 管脚含义及接法 管脚含义及接法 管脚含义及接法 DC/DC DC/DC DC/DC 模块管脚图见图 模块管脚图见图 模块管脚图见图 44 4。。 。 ＋＋ ＋IN IN IN、－ 、－ 、－IN IN IN：直流电压输入正、负端。输入电压可在额定值的－（ ：直流电压输入正、负端。输入电压可在额定值的－（ ：直流电压输入正、负端。输入电压可在额定值的－（20 20 20～～ ～50 50 50）％到＋（ ）％到＋（ ）％到＋（25 25 25～～ ～60 60 60）％范 ）％范 ）％范 围内变动，具体值请参阅产品数据手册。 围内变动，具体值请参阅产品数据手册。 围内变动，具体值请参阅产品数据手册。 GATEOUT GATEOUT GATEOUT：当多个模块并联以提高输出功率时，此端输出的脉冲信号可用于模块间的同步。同步信 ：当多个模块并联以提高输出功率时，此端输出的脉冲信号可用于模块间的同步。同步信 ：当多个模块并联以提高输出功率时，此端输出的脉冲信号可用于模块间的同步。同步信 号一般按 号一般按 号一般按‘‘ ‘雏菊链 雏菊链 雏菊链’’ ’连接，即一模块的 连接，即一模块的 连接，即一模块的 GATEOUT GATEOUT GATEOUT 端连到下一模块的 端连到下一模块的 端连到下一模块的 GATEIN GATEIN GATEIN 端，可以得到几乎没有限制的 端，可以得到几乎没有限制的 端，可以得到几乎没有限制的 功率提升能力。 功率提升能力。 功率提升能力。 GATEIN GATEIN GATEIN：此端是集电极开路结构，可以看作模块的使能 ：此端是集电极开路结构，可以看作模块的使能 ：此端是集电极开路结构，可以看作模块的使能// /同步端。当它被拉低时（以－ 同步端。当它被拉低时（以－ 同步端。当它被拉低时（以－IN IN IN 为基准， 为基准， 为基准， 低于 低于 低于0.65V 0.65V 0.65V，， ，6mA 6mA 6mA），模块关闭；浮空时，模块工作。另外，模块频繁开关时，此端接 ），模块关闭；浮空时，模块工作。另外，模块频繁开关时，此端接 ），模块关闭；浮空时，模块工作。另外，模块频繁开关时，此端接 1μF 1μF 1μF 左右电容，可 左右电容，可 左右电容，可 提供软起动功能。 提供软起动功能。 提供软起动功能。 ＋＋ ＋SS S、－ 、－ 、－SS S：正、负输出电压感受 ：正、负输出电压感受 ：正、负输出电压感受// /遥感端。若＋ 遥感端。若＋ 遥感端。若＋SS S 端电压高于额定输出值的 端电压高于额定输出值的 端电压高于额定输出值的 110 110 110％，将激活模块的过 ％，将激活模块的过 ％，将激活模块的过 压保护功能 压保护功能 压保护功能（（ （‘‘ ‘－－ －JXX’ JXX’ JXX’无过压保护功能） 无过压保护功能） 无过压保护功能），关闭模块。－ ，关闭模块。－ ，关闭模块。－SS S 端电位不可超过 端电位不可超过 端电位不可超过 0.25V 0.25V 0.25V，否则电流限制点将提高。 ，否则电流限制点将提高。 ，否则电流限制点将提高。 这两端用于遥感 这两端用于遥感 这两端用于遥感（（ （REMOTESENSING REMOTESENSING REMOTESENSING）） ），即当负载离模块较远、负载电流较大时，将＋ ，即当负载离模块较远、负载电流较大时，将＋ ，即当负载离模块较远、负载电流较大时，将＋SS S 与＋ 与＋ 与＋OUT OUT OUT、、 、 －－ －SS S 与－ 与－ 与－OUT OUT OUT 分别与负载两端相连，模块将略微提高输出电压以补偿＋ 分别与负载两端相连，模块将略微提高输出电压以补偿＋ 分别与负载两端相连，模块将略微提高输出电压以补偿＋OUT OUT OUT、－ 、－ 、－OUT OUT OUT 连线上的降，从而 连线上的降，从而 连线上的降，从而 保证负载上的电压为额定值。当不需要遥感时，须将＋ 保证负载上的电压为额定值。当不需要遥感时，须将＋ 保证负载上的电压为额定值。当不需要遥感时，须将＋SS S 与＋ 与＋ 与＋OUT OUT OUT、－ 、－ 、－SS S 与－ 与－ 与－OUT OUT OUT 直接相连。 直接相连。 直接相连。 TRIM TRIM TRIM：此端使输出电压在额定值的 ：此端使输出电压在额定值的 ：此端使输出电压在额定值的 55 5％到 ％到 ％到110 110 110％的范围内可调。 ％的范围内可调。 ％的范围内可调。 ＋＋ ＋OUT OUT OUT、－ 、－ 、－OUT OUT OUT：直流电压输出正、负端。 ：直流电压输出正、负端。 ：直流电压输出正、负端。 应用注意 应用注意 应用注意 （（ （11 1）） ）若将输出电压调低，因为截流点 若将输出电压调低，因为截流点 若将输出电压调低，因为截流点（（ （CURRENTLIMMITPOINT CURRENTLIMMITPOINT CURRENTLIMMITPOINT）） ）并不随之变化，输出功率将降低。 并不随之变化，输出功率将降低。 并不随之变化，输出功率将降低。 此外效率降低、输出电压纹波百分比升高、输入电压范围变宽。注意，此时应提供一额定输出功率 此外效率降低、输出电压纹波百分比升高、输入电压范围变宽。注意，此时应提供一额定输出功率 此外效率降低、输出电压纹波百分比升高、输入电压范围变宽。注意，此时应提供一额定输出功率 11 1％的 ％的 ％的 假负载，若调得低于 假负载，若调得低于 假负载，若调得低于 75 75 75％，所需的假负载更大。 ％，所需的假负载更大。 ％，所需的假负载更大。 输出电压升高时，上述参数相反变化，此时应注意不可超过额定功率，因此，不可将输出电压调得 输出电压升高时，上述参数相反变化，此时应注意不可超过额定功率，因此，不可将输出电压调得 输出电压升高时，上述参数相反变化，此时应注意不可超过额定功率，因此，不可将输出电压调得 高于额定值的 高于额定值的 高于额定值的110 110 110％。 ％。 ％。 （（ （22 2）模块应接到一呈低交流阻抗的源上。若不能保证源的低阻抗，应在模块输入端就近安装一电解 ）模块应接到一呈低交流阻抗的源上。若不能保证源的低阻抗，应在模块输入端就近安装一电解 ）模块应接到一呈低交流阻抗的源上。若不能保证源的低阻抗，应在模块输入端就近安装一电解 电容，其最小值为： 电容，其最小值为： 电容，其最小值为：C=400μF/Uin.min C=400μF/Uin.min C=400μF/Uin.min。。 。 （（ （33 3）按 ）按 ）按VICOR VICOR VICOR 的规程，即使没有 的规程，即使没有 的规程，即使没有 EMI/RFI EMI/RFI EMI/RFI 要求，模块也应被适当地旁路。一般可用 要求，模块也应被适当地旁路。一般可用 要求，模块也应被适当地旁路。一般可用 RC RC RC 串联网络 串联网络 串联网络 将＋ 将＋ 将＋IN IN IN、－ 、－ 、－IN IN IN 分别与基板相连， 分别与基板相连， 分别与基板相连，CC C 为为 为YY Y级级 级4700p 4700p 4700p，， ，RR R 是为降低 是为降低 是为降低QQ Q 值用，选 值用，选 值用，选1Ω 1Ω 1Ω。用 。用 。用RC RC RC 并联网络将＋ 并联网络将＋ 并联网络将＋OUT OUT OUT、、 、 －－ －OUT OUT OUT 分别与基板相连， 分别与基板相连， 分别与基板相连，CC C 也为 也为 也为YY Y级级 级4700p 4700p 4700p，， ，RR R 为为 为2MΩ 2MΩ 2MΩ。连线应尽量短。 。连线应尽量短。 。连线应尽量短。 （（ （44 4）因 ）因 ）因VICOR VICOR VICOR 模块效率较高，对散热的要求相对较低。但为了提高模块及系统的 模块效率较高，对散热的要求相对较低。但为了提高模块及系统的 模块效率较高，对散热的要求相对较低。但为了提高模块及系统的 MTBF MTBF MTBF，常规的 ，常规的 ，常规的 散热考虑和设计准则都应遵循。模块与其散热的底盘之间应有良好的导热性，并且是电绝缘的。 散热考虑和设计准则都应遵循。模块与其散热的底盘之间应有良好的导热性，并且是电绝缘的。 散热考虑和设计准则都应遵循。模块与其散热的底盘之间应有良好的导热性，并且是电绝缘的。 应用实例 应用实例 应用实例 （（ （11 1）利用两只 ）利用两只 ）利用两只VICOR VICOR VICOR 模块，设计一输入 模块，设计一输入 模块，设计一输入 24VDC 24VDC 24VDC、输出 、输出 、输出36V/400Hz 36V/400Hz 36V/400Hz 的线性逆变电源。模块本身输 的线性逆变电源。模块本身输 的线性逆变电源。模块本身输 入入 入24V 24V 24V，输出 ，输出 ，输出24V 24V 24V，输出功率 ，输出功率 ，输出功率50W 50W 50W。原理框图如图 。原理框图如图 。原理框图如图 55 5 所示。 所示。 所示。 两只模块输入并联 两只模块输入并联 两只模块输入并联，， ，输出串联 输出串联 输出串联，， ，运放输出为 运放输出为 运放输出为 30Vp-p 30Vp-p 30Vp-p 电压 电压 电压。。 。为在满载时输出也不出现削顶失真的同时， 为在满载时输出也不出现削顶失真的同时， 为在满载时输出也不出现削顶失真的同时， 尽量降低额外的功率损耗，需将模块输出调到 尽量降低额外的功率损耗，需将模块输出调到 尽量降低额外的功率损耗，需将模块输出调到 17V 17V 17V，为此，在模块的 ，为此，在模块的 ，为此，在模块的 TRIM TRIM TRIM端接固定调节电阻到各自的－ 端接固定调节电阻到各自的－ 端接固定调节电阻到各自的－ OUT OUT OUT 端。电路有内外两个反馈环，其中外环调节波形发生器的参考电压实现输出电压的稳定。 端。电路有内外两个反馈环，其中外环调节波形发生器的参考电压实现输出电压的稳定。 端。电路有内外两个反馈环，其中外环调节波形发生器的参考电压实现输出电压的稳定。 VICOR VICOR VICOR 模块的＋ 模块的＋ 模块的＋IN IN IN、－ 、－ 、－IN IN IN、＋ 、＋ 、＋OUT OUT OUT、－ 、－ 、－OUT OUT OUT 端均按 端均按 端均按2.3 2.3 2.3（（ （33 3）条所述，连接阻容网络到基板，以使 ）条所述，连接阻容网络到基板，以使 ）条所述，连接阻容网络到基板，以使 耦合到输出电压上的高频干扰最小。 耦合到输出电压上的高频干扰最小。 耦合到输出电压上的高频干扰最小。 （（ （22 2）在 ）在 ）在VICOR VICOR VICOR 模块基础上进行二次开发，设计 模块基础上进行二次开发，设计 模块基础上进行二次开发，设计—— —输出电压为 输出电压为 输出电压为36V/400Hz 36V/400Hz 36V/400Hz 的小型三相逆变电源。原 的小型三相逆变电源。原 的小型三相逆变电源。原 理框图如图 理框图如图 理框图如图66 6 所示。 所示。 所示。 模块型号为 模块型号为 模块型号为VI VI VI－－ －2W4 2W4 2W4－－ －CV CV CV，输入 ，输入 ，输入24V 24V 24V，输出 ，输出 ，输出48V 48V 48V，输出功率 ，输出功率 ，输出功率150W 150W 150W。逆变部分产生交流输出，因直 。逆变部分产生交流输出，因直 。逆变部分产生交流输出，因直 流源、开关管、滤波电感均有阻抗存在，带载后输出电压将降低。反馈环节取自输出并整流、倒相、缓冲， 流源、开关管、滤波电感均有阻抗存在，带载后输出电压将降低。反馈环节取自输出并整流、倒相、缓冲， 流源、开关管、滤波电感均有阻抗存在，带载后输出电压将降低。反馈环节取自输出并整流、倒相、缓冲， 得到一变化方向与输出相反的反馈信号，其幅值不大于 得到一变化方向与输出相反的反馈信号，其幅值不大于 得到一变化方向与输出相反的反馈信号，其幅值不大于 2.7V 2.7V 2.7V。将此信号接到下模块的 。将此信号接到下模块的 。将此信号接到下模块的 TRIM TRIM TRIM端，就构成了 端，就构成了 端，就构成了 负反馈闭环。调节反馈系数，可以在规定的负载变动范围内（空、满载），使该模块输出电压相应地在 负反馈闭环。调节反馈系数，可以在规定的负载变动范围内（空、满载），使该模块输出电压相应地在 负反馈闭环。调节反馈系数，可以在规定的负载变动范围内（空、满载），使该模块输出电压相应地在 38 38 38 ～～ ～50V 50V 50V之间变动，系统输出电压也被稳定在 之间变动，系统输出电压也被稳定在 之间变动，系统输出电压也被稳定在 36V 36V 36V
