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在电源系统中保持高效和可靠的设计

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在电源系统中保持高效和可靠的设计

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发布时间:
2019/02/14
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DC-DC转换器输入端的电容在保持转换器稳定性方面发挥着重要的作用,并有助于滤除输入端的电磁干扰(EMI)。DC-DC转换器输出端的大电容则会给电源系统带来艰巨的挑战。DC-DC转换器的许多下游负载需要电容才能正确工作。这些负载可以是脉冲式功率放大器或输入端需要电容的其它转换器。如果负载端的电容值超过直流电源系统设计能够处理的极限,电源系统的电流可能在启动和正常工作期间超出其最大额定值。电容还能引起电源系统的稳定性问题,导致错误的系统操作和过早的电源系统失效。
 
遇到给大电容负载供电的情况下,在电源系统中实现一些简单的技术功率保持在其就能保持高效和可靠的设计。缩短启动时负载电容两端施加的电压上升时间可以使电源系统的电流保持在其额定范围内,在正常工作期间控制流入电容的充电电流可以使电源系统的额定范围内,而调整系统的控制环路可以保持电源系统的稳定,并使电源系统的电压保持在其额定范围内。
 
启动时的考虑因素
 
在电源系统启动时,典型的DC-DC转换器都有一个标准的上升时间,这个时间由内部误差放大器基准的上升时间来确定。放置在转换器输出端的放电电容将呈现为低阻抗负载。在这种低输出阻抗的情况下,转换器的少数开关周期可能导致电容上产生足够高的电压变化,并迫使转换器输出电流超出其额定值。这个电容可以通过转换器输出端较高阻抗路径进行预充电。这个高阻抗元件将限制进入电容的充电电流,直到电容被充电到一个预先定义好的电压值。一旦达到预先定义好的电压值,就可以将高阻抗路径移除或用一个低阻抗器件(如FET)短路掉。
 
转换器可以通过这条更低阻抗的路径提供最大额定电流。当FET将这条阻抗路径短路掉时,将允许转换器的满幅电压给电容充电。FET的导通时间以及电容与转换器电压之间的压差决定了将电容充电到满幅电压所需的充电电流,因此将预定义电压值设定为FET导通不会造成转换器超过其额定电流的那个点非常重要。图1所示的框图可以用来将电容充电到预设的最小电压。U2用于控制FET以便在必要时短路电阻Z,U1电路与U2一起用来设置导通电压和负载使能。
 
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图1:电容预充电框图
 
在启动时,转换器将电容看作是负载以及电容之后的系统负载。如果在高阻抗预充电期间系统负载需要消耗来自电容的电流,那么电容可能就达不到预设的充电电压。DC-DC转换器的许多下游负载都有欠压锁定功能,在欠压锁定状态它们只需很小的电流。如果负载在预设充电电压之上没有欠压锁定功能,那就应该使用外部使能信号。如果负载本身是阻性的,可以在电容充电完成后用串联开关使能到负载的电压。图2显示了一个给10mF电容充电的系统的电压和电流。
 
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图2:给一个10KuF电容充电的12V直流转换器
 
一旦电容被充电,负载就可以开始从电容和DC-DC转换器抽取电流。有些负载要求快速获得电流,如果这个要求超出了转换器带宽能力,电流将由电容来提供。一旦电流由电容来提供,电容上的电压就会下降:
 
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其中Vdrop是电容上的压降,I是需要的电流值,C是电容值,dt是抽取电流的时长。转换器将把电容重新充电到最初的值,这样做的时候转换器输出电流可能超出其额定值。转换器和完全放电电容之间的压差除以两个电压之间的电阻决定了想要的再次充电电流。为了减少系统损耗,两个电压之间的电阻通常很低,因此想要的再次充电电流可能高于转换器的最大值。由于电容电压接近转换器的设定点电压,超出转换器最大电流值也就可能意味着超过转换器的最大功率值。
 
为了防止转换器在正常工作时超过其额定电流和额定功率,可以使用图3中的电流控制框图来控制高di/dt事件之后的再次充电电流。这个电路可以监视分流电阻上的电流,并通过主动调低转换器电压来限制再充电电流。转换器和电容之间受限制的这个电压差将限制电容的再充电电流,从而保证转换器在其电流和功率极限范围内。当电容电压上升时,转换器电压也随之上升,直至达到它的设定值。
 
图3所示的限流方法可以与图1中的预充电方法结合起来使用,实现更快的启动过程。预充电电路可以将电容充电到转换器的最小调整电压,然后转换器再以最大额定电流给电容全速充电。控制输出电压的上升速率可以达到控制给电容充电的电流的目的。然而,大多数DC-DC转换器都只有距它们的标称设定电压很窄的控制或调整范围。典型的调整区间是±10%。有些制造商可以提供更宽的调整范围,转换器甚至可以调低到标称设定电压的-90%。电压调整范围越小,对使能电路的要求就越低,因为下游负载通常在接近它们的工作电压最小值时具有欠压锁定功能。
 
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图3:外部电流限制框图
 
稳定性考虑
 
一旦转换器在启动和工作期间被保持在其极限范围之内,那么接下来我们必须确保系统的稳定性。DC-DC转换器输出端的大电容可能降低系统的相位余量,从而引起振铃现象。为了保证转换器稳定工作,必须有一个最小值的电阻与电容串联在一起使用。引线或导线电阻、FET和电容的等效串联电阻都是这个电阻的有效组成部分。找到这个电阻最小值的最佳方法是使用网络分析仪,并通过运行系统分析功能来判断相位和增益的余量。如果没有网络分析仪,也可以在系统中连接阶跃负载来分析转换器的电压和电流波形,确保没有代表着不良稳定性的过多振铃。
 
一旦电压环路趋于稳定,就可以检查图3中的电流控制环路,分析它对系统稳定性的影响。这个电流控制环路位于DC-DC转换器的控制环路内,其带宽应远小于系统环路的交越频率,因此两个环路不会发生交互。在电力补偿网络集成在转换器内部的转换器系统中,转换器制造商可以提供足够的信息为电流控制环路设置一个合适的交越频率。一些转换器制造商允许设计师通过调整电力控制环路来优化特定应用的性能。
 
图4显示了一个具有外部控制环路的转换器。这个控制环路可以经过优化提供峰值系统性能。在电源系统的响应时间对正确系统工作至关重要的应用中,这种外部控制环路是很重要的。周期性脉冲负载应用就是这种情况,其中的转换器必须在下一个电源脉冲之前给电容再次充电。应该用网络分析仪或阶跃负载测试验证系统的稳定性。不稳定的系统可能产生超出电源系统元件额定值的电压偏移,最终导致电源系统故障。
 
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