DCDC拓扑的分类和选择标准.doc

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1、DC/DC拓扑的分类和选择标准上网时间：2008-10-11 作者：顾亦磊，吕征宇，钱照明 来源：中心论题： 主流电源产品中DC/DC的分析 。 DC/DC 拓扑选择的四种实用标准。 常用拓扑与四大标准的关系。 选择四大标准的应用例子。 解决方案： 一个或多个称为电压调整模块应对负载突变下的电压调整。 多个MOS2FET并联使得导通损耗降至可以承受的范围。 半桥结构的桥臂实现同一桥臂的两个开关可以互相利用。 同步整流技术实现低电压输出。 引言电力电子产品一般都可以分解成AC/DC、DC/DC 和DC/AC三种变换类中的一种或多种，每一种变换类又有很多种拓扑结构，其中以DC/DC 的拓扑结构最多

2、，目前研究的也最多。DC/DC 拓扑发展到现在已不乏许多经典拓扑，然而目前仍有新的拓扑陆续问世。 对于大多数电源产品的设计者来说，挑选合适的DC/DC 拓扑是一项非常艰巨的任务，但是目前还没有系统、简单、有效的DC/DC 拓扑筛选标准。 所以，提出合适的DC/DC拓扑的评价、筛选标准是非常有必要的。 根据此标准电源产品设计者可以对大量的DC/DC 拓扑进行初次的筛选，挑选出少数几种适合某个特定产品的DC/DC拓扑，将大大节省时间，提高挑选的准确性。主流电源产品中DC/DC的分析 目前世界上电源产品中DC/DC部分已经成为最主要、最核心的部分。 通信设备、电脑设备的供电大多数是直流电压供电。 目

3、前照明虽然还是以交流电压供电为主，但是随着LED (low emitting diode) 技术(主要是白光合成技术) 的发展以及应用领域的扩展，直流电压供电的产品额会逐渐扩大。 此外目前的高强度气体放电灯的驱动器中也通常有DC/DC 环节。目前的通信设备电源和电脑服务器电源通常采用分布式电源结构(distributed power system ，DPS) ，如图1(a) 所示。 首先220V 或110V 市电经过PFC电路变换成400V 的直流电压；然后由一个功率相对比较大的一次DC/DC 变换器，将400V 的直流电压变换成48 V24 V(48V 或24V) 的直流电压给通信或服务器的

4、主设备供电。 但是还有其他的一些设备需要更低的电压供电，48V/24V 后面还会有很多个功率相对比较小的二次电源变换成12/5/3.3/2.5V 等的直流电压。 通常CPU 的工作电压更加低，而且对负载突变下的电压调整率要求非常高，所以后面还会有一个或多个称为电压调整模块( voltage regulator module ，VRM) 的DC/DC 专门给CPU供电。 有时电信公司用的主功率是48V 系统，但是某些特殊设备是24 V供电；有时反之，所以还会用到48V24V 或24V48V的DC/DC电源。通常有四种DC/DC 变换器: 400V48/24V； 48/24V 12/5/3.3/

5、2.5 V； 12/5/3.3 V1.8/1.5/1.2/1 V； 48V24V或24V48V。 其中和通常是隔离型的DC/DC。 图1(b)是典型的UPS内部结构。 市电正常时，由PFC 电路将220 V/ 110 V的市电变换成400 V的直流电压，然后再由一个逆变器(DC/AC) 将400V的直流电压逆变成稳定、精确的220V/110 V的交流电压给重要电器供电。 停电时由48V 的蓄电池通过一个升压型的DC/DC 升压到400V ，再由逆变器逆变成220V/110V的交流电压给负载供电。 再次来电时由一个降压型的DC/DC 把400V变换成48V给蓄电池充电。 这里有两种DC/DC变换

6、器: 400V48V； 48V400V。图1(c)是桌面机(例如个人电脑)的电源结构。先由PFC电路将市电变换成400V 的直流电压，再经过一个多路输出的DC/DC 变换成多路的较低的直流电压给不同负载供电。 图1(d)是笔记本电脑适配器的电路结构。 首先由PFC 将市电变换成400V的直流电压，然后经过一个DC/DC变换器降压至19V(典型值)给负载供电。图1 主流电源设备内部结构DC/DC 拓扑选择的实用标准DC/DC 拓扑的种类繁多，对于大多数电源产品的设计者来说，挑选合适的拓扑结构是一项非常艰巨的任务。下面提出在不同应用场合挑选DC/DC 拓扑的四大关键标准。 根据此标准就可以对大量的

7、DC/DC 拓扑进行初次的筛选，挑选出少数几种适合某个特定产品的DC/DC 拓扑，大大节省了时间，提高了挑选的准确性。非隔离型的DC/DC 拓扑结构并不多，通常根据电压的升降要求以及简单性原则就可以比较容易确定最佳方案。 所以下面的标准主要是针对隔离型的DC/DC。 此外，标准的量化是建立在目前元器件的水平上。 随着元器件的发展，这些标准的量化也是动态发展的；再者，电源轻小化是目前主流电源追求的重要指标，轻小化体现在电力电子线路上就是要求高频化。 所以下面的标准也是建立在电源体积要尽量小的前提上。四大标准如下：1) 输入电压高低。 输入电压的高低决定了是不是要采用零电压开关(zero volt

8、age switching ，ZVS) 技术。 因为，若是硬开关，开关损耗可近似表示为式中：Vds为开关开通前漏源间电压，通常和输入电压成正比； Ids为开关导通后的电流；Coss为开关的等效输出电容。可以看出第二项开关损耗和输入电压的平方成正比。 因此，输入电压越高越有必要采用ZVS 技术。通常输入电压高于200V就需要采用ZVS(主开关为MOSFET) ，因此，200V可以作为DC/DC变换器输入电压高低的分界。2) 输出电压高低。 输出电压的高低决定了要不要使用同步整流技术( synchronous rectifier ，S.R.) 。 目前市场上最低耐压的肖特基二极管的导通压降都在0.

9、5V 以上。通常副边二极管整流的损耗占输出功率的比例可近似表示为 式中：VT 为二极管的导通压降， Vo 为输出电压。输出电压越低，Ploss的比例就越高，且直接和输出电压成反比。 若采用同步整流，可以用多个MOS2FET并联使得导通损耗降至可以承受的范围。 目前的电源产品通常在输出电压为12V 以下时才会采用同步整流；当输出电压为1220V 时，效率要求较高场合也采用同步整流；输出电压高于20 V 基本不采用同步整流技术。 因此，20V 可以作为DC/DC变换器输出电压高低的分界。3) 输入输出范围宽窄。 通常电源的输入电压和输出电压都有一个变化范围。 这里先定义一个指标变化范围“Range

10、”: 式中：Vinmax是输入电压最大值， Vinmin是输入电压最小值， Vomax 是输出电压最大值， Vomin 是输出电压最小值。Range 的大小要求电路拓扑具有两个特性: 第一，可工作区占空比D 的范围；第二，输入输出电压和占空比D 的关系。 通常DC/DC 拓扑占空比D的范围有两种可能，即0%50%或0%100%(也有例外的) 。 当然相对而言D 可运行在0%100%更适合Range 大的场合。 输入输出电压和D 的关系通常有四种情况: D、1/(1-D ) 、D/(1-D)、D(1-D) 。 这四种关系对于Range 大的场合下的适用性的排序为D/(1-D)1/(1-D)D D

11、(1 - D) 。 上面是对于PWM型的DC/DC 而言的，对于谐振型的DC/DC 就是输入输出电压和频率f 的关系。 通常在Range1.5 ，就可以认为有宽范围要求，在选用拓扑时就要考虑拓扑的宽范围适用性。 因此，DC/DC 变换器的输入输出变化范围分界可以定在1.5倍。4) 功率大小等级: 功率大小决定了候选拓扑的开关数量的多少。 一般DC/DC 变换器的主开关有1、2、4 个和4 个以上。 通常主开关的数量越少越适合于小功率变换；主开关数量越多越适合大功率变换。1 kW以上可以考虑4 或4 以上开关的DC/DC 拓扑。1kW以下则考虑1或2开关DC/DC 拓扑。 因此，DC/DC 变换

12、器的功率大小分界可以定在1kW。常用拓扑与标准的关系 下面针对一些经典的和最新的拓扑与四大标准的关系进行评判，然后得出电源规格和拓扑结构的直接对应关系。ZVS是每一个拓扑经过一些辅助的电路都能实现的。 但是在绝大多数的工业应用中都是利用拓扑自身的特点来实现ZVS 的。 因此，每个拓扑就有一个实现ZVS 难易程度的指标，这样在有ZVS要求的场合，就可以尽量选用容易自然实现ZVS 的拓扑，而不需要额外的电路和代价。 现有DC/DC 拓扑中，例如不对称半桥、移相全桥、Yungtaek 全桥、LLC 串联谐振变换器等可以简单实现ZVS。它们都有一个特点: 存在半桥结构的桥臂，并且桥臂上的两个开关互补导

13、通。 这样同一桥臂的两个开关可以互相利用，作为ZVS的辅助开关，再利用变压器的漏感、励磁电感或是滤波电感作为抽取开关输出电容上电荷的电流源，就可以不加任何其他电路实现ZVS。 根据电流源的强弱还可以细分ZVS 实现的容易程度。 通常滤波电感要大于励磁电感，励磁电感要大于漏感；负载电流要大于励磁电流。 有源箝位型正激的箝位开关和主开关也构成一个半桥结构，但是由于该拓扑工作原理的原因，其抽取电荷的电流源只是激磁电流加在漏感上的能量，在数量上比较小(除非人为的增大漏感) ，ZVS 技术不容易实现。同样，同步整流也是任何一个拓扑都能实现的。但是有的拓扑可以很轻松地得到极佳的同步整流驱动信号和驱动能量，

14、而有的拓扑却要外加很多电路才能得到驱动信号和能量或是驱动的波形不理想。因此，DC/DC 拓扑还存在一个同步整流实现难易程度的指标。 例如有源箝位型正激、不对称半桥、Boost2H/B ，这几种拓扑变压器上的电压波形都是完整的方波，可以直接作为同步整流的驱动波形，并且具有较大的驱动能量。 所以这些DC/DC 拓扑是非常容易实现同步整流的。 但是对于谐振型的DC/DC ，同步整流的驱动信号就较难获得。Range 大小对DC/DC 拓扑的占空比D 的要求上面已阐述。 例如反激的可工作D 为0%100% ，并且输出电压/ 输入电压和D 的关系是D/(1-D)关系，所以非常适合宽范围要求。有源箝位型正激

15、可工作D 为0%100%，输出电压/输入电压和D 的关系是D/(1-D)的关系，也比较适合宽范围要求。而普通的双管正激可工作占空比D 在0%50%，所以相对来说，宽范围适应性就要差一些。 再者，像不对称半桥有效D是0%50% ，且输出电压/ 输入电压和D的关系是D(1-D)的关系，所以极不适合宽范围要求场合。表1是经典DC/DC拓扑和最新的DC/DC拓扑与四大选择标准的关系。 表2是根据表1和以上的分析，得到DC/DC 拓扑和电源产品电气规格的直接对应关系，可供电源产品设计者方便的使用。 由于篇幅关系，表1和表2的详细分析略。 其中提到一些最新的DC/DC 拓扑可以参见文献。上面根据电源的电气

16、规格提出了DC/DC 拓扑的四大选择标准以及相应拓扑，事实上还存在很多更细节的选择标准及其相应拓扑，限于篇幅不予详述。选择标准的应用例子 为了验证四个准则的准确性和有效性，下面举一个3000 W的通信电源的例子。上面已介绍了典型的通信电源中有两种隔离型的DC/DC变换器: 400V 48V；48 V 3.3 V。 下面对这两种变换器应用以上的拓扑选择方法进行拓扑选择。1) 400V 48V：通常有保持时间的要求，需要输入电压范围尽量宽，要求300400V 的输入范围；另外输出电压要求4060V 可调。 根据以上的判断标准，属于高电压输入，需要采用ZVS技术；高电压输出，不需要同步整流；较宽变化

17、范围，最好选用能适应较宽变化范围的拓扑；大功率、主开关的数量应多一些。 按四大标准分析后，再查看表2 ，可以发现移相全桥、Yungtaek 全桥、LLC 串联谐振变换器是合适的候选拓扑；然后再根据细节的电气规格进行第二次筛选。 本文的目的是完成第一次初选。2) 48V 3.3V：这是二次电源，功率通常较小，典型的是100W。 行业中的标准是输入电压3675 V 可变，输出电压3.03.6 V 可调。 根据以上的判断标准，属于低输入电压，没必要采用ZVS技术。低电压输出，所以需要采用同步整流技术。 变化范围非常宽。 查看表2 ，发现反激、有源箝位型正激、谐振复位型正激、对称半桥、双管正激、推挽式

18、变换器、Boost-H/B是合适的候选拓扑。 因为是低压输入没有ZVS 的限制，拓扑的选用就自由很多。 从现有的产品来看以上的几种DC/DC 拓扑都有采用。 由表1可知，最适用的拓扑是有源箝位型正激、谐振复位型正激、Boost-H/B。结语本文分析了现有市场上主流的通信、电脑用电源中DC/DC 的应用特点。 从电气规格出发提出了电力电子产品设计中DC/DC 变换器的电路拓扑选择的四大标准。 针对这四大标准，对一些经典的DC/DC 拓扑和最新的DC/DC 拓扑进行评价，得到表1。然后根据表1 和四大标准得出电气规格和拓扑之间的直接对应关系表2 ，方便了电力电子产品设计者参考。关于通信电源设计时DC/DC 拓扑初选的例子进一步说明了四大准则的用法，证实了四大准则的实用性和有效性。 关于DC/DC 拓扑结构的选择标准和针对现有DC/DC 拓扑的系统比较和评价工作对电源产品设计者很有实用价值。 但是此工作刚刚开始，还需要补充和完善。