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在電源系統中保持高效和可靠的設計

技術中心

Technology

在電源系統中保持高效和可靠的設計

分類:
電源技術
作者:
廣州市愛浦電子科技有限公司
來源:
原創
發布時間:
2020/05/08
瀏覽量
DC-DC轉換器輸入端的電容在保持轉換器穩定性方面發揮著重要的作用,并有助于濾除輸入端的電磁干擾(EMI)。DC-DC轉換器輸出端的大電容則會給電源系統帶來艱巨的挑戰。DC-DC轉換器的許多下游負載需要電容才能正確工作。這些負載可以是脈沖式功率放大器或輸入端需要電容的其它轉換器。如果負載端的電容值超過直流電源系統設計能夠處理的極限,電源系統的電流可能在啟動和正常工作期間超出其最大額定值。電容還能引起電源系統的穩定性問題,導致錯誤的系統操作和過早的電源系統失效。
遇到給大電容負載供電的情況下,在電源系統中實現一些簡單的技術功率保持在其就能保持高效和可靠的設計。縮短啟動時負載電容兩端施加的電壓上升時間可以使電源系統的電流保持在其額定范圍內,在正常工作期間控制流入電容的充電電流可以使電源系統的額定范圍內,而調整系統的控制環路可以保持電源系統的穩定,并使電源系統的電壓保持在其額定范圍內。
啟動時的考慮因素
在電源系統啟動時,典型的DC-DC轉換器都有一個標準的上升時間,這個時間由內部誤差放大器基準的上升時間來確定。放置在轉換器輸出端的放電電容將呈現為低阻抗負載。在這種低輸出阻抗的情況下,轉換器的少數開關周期可能導致電容上產生足夠高的電壓變化,并迫使轉換器輸出電流超出其額定值。這個電容可以通過轉換器輸出端較高阻抗路徑進行預充電。這個高阻抗元件將限制進入電容的充電電流,直到電容被充電到一個預先定義好的電壓值。一旦達到預先定義好的電壓值,就可以將高阻抗路徑移除或用一個低阻抗器件(如FET)短路掉。
轉換器可以通過這條更低阻抗的路徑提供最大額定電流。當FET將這條阻抗路徑短路掉時,將允許轉換器的滿幅電壓給電容充電。FET的導通時間以及電容與轉換器電壓之間的壓差決定了將電容充電到滿幅電壓所需的充電電流,因此將預定義電壓值設定為FET導通不會造成轉換器超過其額定電流的那個點非常重要。圖1所示的框圖可以用來將電容充電到預設的最小電壓。U2用于控制FET以便在必要時短路電阻Z,U1電路與U2一起用來設置導通電壓和負載使能。
 
圖1:電容預充電框圖
在啟動時,轉換器將電容看作是負載以及電容之后的系統負載。如果在高阻抗預充電期間系統負載需要消耗來自電容的電流,那么電容可能就達不到預設的充電電壓。DC-DC轉換器的許多下游負載都有欠壓鎖定功能,在欠壓鎖定狀態它們只需很小的電流。如果負載在預設充電電壓之上沒有欠壓鎖定功能,那就應該使用外部使能信號。如果負載本身是阻性的,可以在電容充電完成后用串聯開關使能到負載的電壓。圖2顯示了一個給10mF電容充電的系統的電壓和電流。

 
圖2:給一個10KuF電容充電的12V直流轉換器
一旦電容被充電,負載就可以開始從電容和DC-DC轉換器抽取電流。有些負載要求快速獲得電流,如果這個要求超出了轉換器帶寬能力,電流將由電容來提供。一旦電流由電容來提供,電容上的電壓就會下降:
 
其中Vdrop是電容上的壓降,I是需要的電流值,C是電容值,dt是抽取電流的時長。轉換器將把電容重新充電到最初的值,這樣做的時候轉換器輸出電流可能超出其額定值。轉換器和完全放電電容之間的壓差除以兩個電壓之間的電阻決定了想要的再次充電電流。為了減少系統損耗,兩個電壓之間的電阻通常很低,因此想要的再次充電電流可能高于轉換器的最大值。由于電容電壓接近轉換器的設定點電壓,超出轉換器最大電流值也就可能意味著超過轉換器的最大功率值。
為了防止轉換器在正常工作時超過其額定電流和額定功率,可以使用圖3中的電流控制框圖來控制高di/dt事件之后的再次充電電流。這個電路可以監視分流電阻上的電流,并通過主動調低轉換器電壓來限制再充電電流。轉換器和電容之間受限制的這個電壓差將限制電容的再充電電流,從而保證轉換器在其電流和功率極限范圍內。當電容電壓上升時,轉換器電壓也隨之上升,直至達到它的設定值。
圖3所示的限流方法可以與圖1中的預充電方法結合起來使用,實現更快的啟動過程。預充電電路可以將電容充電到轉換器的最小調整電壓,然后轉換器再以最大額定電流給電容全速充電。控制輸出電壓的上升速率可以達到控制給電容充電的電流的目的。然而,大多數DC-DC轉換器都只有距它們的標稱設定電壓很窄的控制或調整范圍。典型的調整區間是±10%。有些制造商可以提供更寬的調整范圍,轉換器甚至可以調低到標稱設定電壓的-90%。電壓調整范圍越小,對使能電路的要求就越低,因為下游負載通常在接近它們的工作電壓最小值時具有欠壓鎖定功能。

圖3:外部電流限制框圖
穩定性考慮
一旦轉換器在啟動和工作期間被保持在其極限范圍之內,那么接下來我們必須確保系統的穩定性。DC-DC轉換器輸出端的大電容可能降低系統的相位余量,從而引起振鈴現象。為了保證轉換器穩定工作,必須有一個最小值的電阻與電容串聯在一起使用。引線或導線電阻、FET和電容的等效串聯電阻都是這個電阻的有效組成部分。找到這個電阻最小值的最佳方法是使用網絡分析儀,并通過運行系統分析功能來判斷相位和增益的余量。如果沒有網絡分析儀,也可以在系統中連接階躍負載來分析轉換器的電壓和電流波形,確保沒有代表著不良穩定性的過多振鈴。
一旦電壓環路趨于穩定,就可以檢查圖3中的電流控制環路,分析它對系統穩定性的影響。這個電流控制環路位于DC-DC轉換器的控制環路內,其帶寬應遠小于系統環路的交越頻率,因此兩個環路不會發生交互。在電力補償網絡集成在轉換器內部的轉換器系統中,轉換器制造商可以提供足夠的信息為電流控制環路設置一個合適的交越頻率。一些轉換器制造商允許設計師通過調整電力控制環路來優化特定應用的性能。
圖4顯示了一個具有外部控制環路的轉換器。這個控制環路可以經過優化提供峰值系統性能。在電源系統的響應時間對正確系統工作至關重要的應用中,這種外部控制環路是很重要的。周期性脈沖負載應用就是這種情況,其中的轉換器必須在下一個電源脈沖之前給電容再次充電。應該用網絡分析儀或階躍負載測試驗證系統的穩定性。不穩定的系統可能產生超出電源系統元件額定值的電壓偏移,最終導致電源系統故障。

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