DC/DC

DC/DC是指將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓，也稱為直流斬波器。這種技術被廣泛套用於無軌電車、捷運列車、電動車的無級變速和控制。

基本介紹

• 中文名：直流轉直流電源
• 外文名：DC/DC
• 別名：直流斬波器
• 套用領域：無軌電車、捷運列車、電動車
• 中文解釋：直流轉直流電源

概念

同時使上述控制獲得加速平穩、快速回響的性能，並同時收到節約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調壓的作用(開關電源)， 同時還能起到有效地抑制電網側諧波電流噪聲的作用。

工作原理

DC/DC變換是將原直流電通過脈衝寬度調製（PWM）調整其占空比來控制輸出的有效電壓的大小。

DC/DC轉換器又可以分為硬開關（Hard Switching）和軟開關（Soft Switching）兩種。硬開關DC/DC轉換器的開關器件是在承受電壓或流過電流的情況下，開通或關斷電路的，因此在開通或關斷過程中將會產生較大的交疊損耗，即所謂的開關損耗（Switching loss）。當轉換器的工作狀態一定時開關損耗也是一定的，而且開關頻率越高，開關損耗越大，同時在開關過程中還會激起電路分布電感和寄生電容的振盪，帶來附加損耗，因此，硬開關DC/DC轉換器的開關頻率不能太高。軟開關DC/DC轉換器的開關管，在開通或關斷過程中，或是加於其上的電壓為零，即零電壓開關（Zero-Voltage-Switching，ZVS），或是通過開關管的電流為零，即零電流開關（Zero-Current·Switching，ZCS）。這種軟開關方式可以顯著地減小開關損耗，以及開關過程中激起的振盪，使開關頻率可以大幅度提高，為轉換器的小型化和模組化創造了條件。功率場效應管（MOSFET）是套用較多的開關器件，它有較高的開關速度，但同時也有較大的寄生電容。它關斷時，在外電壓的作用下，其寄生電容充滿電，如果在其開通前不將這一部分電荷放掉，則將消耗於器件內部，這就是容性開通損耗。為了減小或消除這種損耗，功率場效應管宜採用零電壓開通方式（ZVS）。絕緣柵雙極性電晶體（Insulated Gate Bipolar tansistor，IGBT）是一種複合開關器件，關斷時的電流拖尾會導致較大的關斷損耗，如果在關斷前使流過它的電流降到零，則可以顯著地降低開關損耗，因此IGBT宜採用零電流（ZCS）關斷方式。IGBT在零電壓條件下關斷，同樣也能減小關斷損耗，但是MOSFET在零電流條件下開通時，並不能減小容性開通損耗。諧振轉換器（ResonantConverter ，RC）、準諧振轉換器（Qunsi-Tesonant Converter，QRC）、多諧振轉換器（Multi-ResonantConverter，MRC）、零電壓開關PWM轉換器（ZVS PWM Converter）、零電流開關PWM轉換器（ZCS PWM Converter）、零電壓轉換（Zero-Voltage-Transition，ZVT）PWM轉換器和零電流轉換（Zero- Voltage-Transition，ZVT）PWM轉換器等，均屬於軟開關直流轉換器。電力電子開關器件和零開關轉換器技術的發展，促使了高頻開關電源的發展。

發展方向

半導體技術進步是DC/DC技術變化的強大動力。

1、MOSFET的技術進步給DC/DC模組技術帶來的巨大變化，同步整流技術的巨大進步。

2、Schottky技術的進步。

3、控制及驅動IC的進步。

a、高壓直接起動

b、高壓電平位移驅動取代變壓器驅動

c、ZVS，ZCS驅動器貢獻給同步整流最佳效果

d、光耦反饋直接接口PWM IC經歷了電壓型=>電流型=>電壓型的轉換，又經歷了硬開關=>軟開關=>硬開關的否定之否定變化。掌握優秀控制IC是製作優秀DC/DC的前提和關鍵。

4、微控制器及DSP進入DC/DC是技術發展的必由之路。

5、磁芯技術的突破是下一代DC/DC技術進步的關鍵，也是巨大難題。

DC/DC相關專業術語:

1.	DC loop signaling (Direct Current); 直流環路信令
2.	current, direct (dc); 直流電流
3.	dc offset; 直流偏移,直流偏置
4.	dc isolation; 直流隔離
5.	dc holdover; 直流蓄冷
6.	dc filter; 直流濾波器
7.	direct-current (dc); 直流電流
8.	direct current (DC); 直流電流
9.	DC-restore amplifiers; 直流恢復放大器
10.	DC-to-DC Converter Unit; 直流-直流轉換單元

設計技巧

一.DC-DC電路設計至少要考慮以下條件：

1.外部輸入電源電壓的範圍，輸出電流的大小。

2. DC-DC輸出的電壓，電流，系統的功率最大值。

二.基於以上兩點選擇PWM IC要考慮：

1. PWM IC的最大輸入電壓。

2.PWM開關的頻率，這一點的選擇關係到系統的效率。對儲能電感，電容的大小的選擇也有一定影響。

3.MOS管的所能夠承受的最大額定電流及其額定功率，如果DC-DC IC內部自帶MOS，只需要考慮IC輸出的額定電流。

4. MOS的開關電壓Vgs大小及最大承受電壓。

三.電感(L1)，二極體(CR1)，電容(C2)的選擇

1.電感量：大小選擇主要由開關頻率決定，大小會影響電源紋波;額定電流，電感的內阻選擇由系統功耗決定。

2.二極體：通常都用肖特基二極體。選擇時要考濾反向電壓，前向電流，一般情況反向電壓為輸入電源電壓的二倍，前向電流為輸出電流的兩倍。

3.電容：電容的選擇基於開關的頻率，系統紋波的要求及輸出電壓的要求。容量和電容內部的等效電阻決定紋波大小(當然和電感也有關)。

如何得到一個電源紋波相對較小、對系統其他電路干擾相對較小，而且相對穩定可靠的DC-DC電路，需要對以上電路的原理做如下修改：

1.輸入部分：電源輸入端需要加電感電容濾波。目的：由於MOS管的開關及電感在瞬間的變化會造成輸入電源的波動，尤其是在系統耗電波動較大時，影響更為明顯。

2.輸出部分：

(1)假定C2的選擇的100uF是正確的，我們想得到更小的紋波，可以將100uF的電容改成兩顆47uF的電容(基於相同類型的電容);如果100uF電容採用的是鋁電解，可以在原來的基礎上加一顆10uF的磁片電容或鉭電容。

(2)在輸出端再加一顆電容和一顆電容對原來的電源做一個LC濾波，會得到一個紋波更小的電源。

PCB布線時，應注意幾點：

1.輸入電源與MOS的連線要儘可能的粗。

2. Vgs也要粗一點，千萬不要以為粗細沒關係，(註：一般系統功率相對較低時，輸出電流不大，粗細的影響不明顯)關鍵時刻會影響電源的穩定性。

3. CR1，L1儘量靠近Q1。C2儘量靠近L1。

4.反饋電阻的線儘量遠離電感L1。

5.反饋電壓的地與系統的地儘量的近，保持在一個電位上。

6. CR1的地線千萬要粗，在MOS的打開的時間裡，L1的電流是由CR1的通路提供，即由地流向L1。

套用技巧

在常見的DC/DC變換器中，有很多的套用技巧是不為工程師所掌握的。 現拿UTC P3596套用電路來作一個說明，與諸位分享交流：

DC-DC套用技巧一

當我們用這個電路做好Buck以後，電感量達到其Spec.的要求，卻發現負載調整率過低。這種情況下，很多同學都認為晶片品質問題等等。 其實由於晶片的半導體工藝不能使內部的運放的頻寬(bandwidth)做的很大。所以我們所做的要么就是禁止內部的運放(象我們常見的384X電路1，2pin的連線方法);要么就是外部來補償，在R1上並一個無極性電容加速內部運放對輸出電壓的反應。

分析也不是僅針對UTC P3596的晶片，適用於全部的DC/DC，及其它的開關電源。

開關電源作為一個反饋系統，當我們選用一個運放來做PID(比例積分微分)，而我們選用運放要求的頻寬要有足夠的大，相應的相位裕度也比較大(當然在一定的性價比條件下)。 用於適應回響反饋中採樣的低頻至高頻的信號!

我們做低成本的充電器，可以用穩壓管。 功率再大一些，就選用TL431(內部一個運放加電晶體)。 對於精度要求更好的，我們肯定不會用TL431或穩壓管。 呵呵~~~~結論還是自己分析會比較好!!!對於很多開關電源工程師來說，一但調試搞不定，就會說補償沒調好/變壓器沒繞好~~~原因為何?

我們首先看一下，UC384X內部結構圖(注意看1/2腳之間的運放)：

如果我們把2腳接地，用1腳作為反饋端;這實際上，就是把這個內部的運放接成一個跟隨器。就是把這個運放給禁止了!

DC-DC套用技巧二

在很多情況下，突然撤去負載或輸入時，導致Buck電路內部的MOSFET損壞。

分析原因：基本上是輸出級的能量無處泄放，一種是自然放電，一種就會反灌!

基本上解決的方法就是在這樣的Buck電路中，輸入級至輸出級反方向接一個二極體。

延伸：為什麼我們在開關電源中所套用的MOSFET中會集成一個反向的體二極體啦!同樣我們在用VR(7805/7808 etc.)儘量會加一個反向二極體。

DC-DC套用技巧三

也有很多人說，短路電流大或者短路效果不明顯。

碰到這樣的可以嘗試換一個線徑來繞制這個電感，因為不同的線徑在相同的磁環(磁棒)上都可以繞制到需求的電感量。但不同的線經會產生不同的ESR(等效電阻)，而這個電阻是總負荷的一部分!