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功率電感器基礎(chǔ)第2章:DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作機(jī)制和功率電感器的作用

發(fā)布時(shí)間:2020-07-15 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】功率電感器是構(gòu)成DC-DC轉(zhuǎn)換器等電壓變化電路的功能部件,因此其優(yōu)劣和常數(shù)的選擇需要符合DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作機(jī)制。本章介紹DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作機(jī)制和功率電感器的作用。
    
第1章介紹了功率電感器特性的查看方法及工藝特點(diǎn)上的差異。功率電感器基礎(chǔ)第1章:何謂功率電感器?工藝特點(diǎn)上的差異?
 
功率電感器是構(gòu)成DC-DC轉(zhuǎn)換器等電壓變化電路的功能部件,因此其優(yōu)劣和常數(shù)的選擇需要符合DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作機(jī)制。本章介紹DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作機(jī)制和功率電感器的作用。
 
2.1、DC-DC轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)介
 
DC-DC轉(zhuǎn)換器是將一定范圍的輸入電壓轉(zhuǎn)換為恒定輸出電壓的電路總稱。其轉(zhuǎn)換方式包括線性穩(wěn)壓器和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。另外,電路配置因輸入電壓的升降而不同,存在多種類型。
 
 功率電感器基礎(chǔ)第1章:何謂功率電感器?工藝特點(diǎn)上的差異?
圖2-1 DC-DC轉(zhuǎn)換器的定義
 
2.2、配置DC-DC轉(zhuǎn)換器的必要性
 
只有電源電路需要配置DC-DC轉(zhuǎn)換器。CPU、內(nèi)存、LED等配件的運(yùn)行需要各種DC電壓。例如,移動(dòng)設(shè)備的鋰離子電池,其電池電壓僅為3.7V。調(diào)整這些電壓差需要配置DC-DC轉(zhuǎn)換器。DC-DC轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用非常普遍,幾乎所有電子設(shè)備都需要使用。
 
功率電感器基礎(chǔ)第1章:何謂功率電感器?工藝特點(diǎn)上的差異?
圖2-2 配置DC-DC轉(zhuǎn)換器的必要性
 
2.3、DC-DC轉(zhuǎn)換器的分類
 
DC-DC轉(zhuǎn)換器分為線性穩(wěn)壓器和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。
 
功率電感器基礎(chǔ)第1章:何謂功率電感器?工藝特點(diǎn)上的差異?
圖2-3 DC-DC轉(zhuǎn)換器的分類
 
2.3.1 線性穩(wěn)壓器的原理
 
線性穩(wěn)壓器采用最簡(jiǎn)單的方式,通過(guò)電阻分壓轉(zhuǎn)換電壓。例如,希望將輸入電壓的一半轉(zhuǎn)換為輸出電壓時(shí),可使負(fù)載電阻和穩(wěn)壓器的可變電阻相同。
 
功率電感器基礎(chǔ)第1章:何謂功率電感器?工藝特點(diǎn)上的差異?
圖2-3-1 線性穩(wěn)壓器的原理
 
本方式具有簡(jiǎn)單、低價(jià)的特點(diǎn),但由于使用電阻,因此具有輸入/輸出的電位差越大,功率損耗也越大(效率降低)的缺點(diǎn),從而導(dǎo)致移動(dòng)設(shè)備等的電池使用時(shí)間縮短。部分設(shè)備還會(huì)配置冷卻機(jī)構(gòu),以降低因功率損耗而產(chǎn)生的熱量。因此,大多數(shù)情況用于功耗較低、輸入/輸出電位差較小的電路,而功耗較高的電路基本使用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。
 
2.3.2 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的原理
 
開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器由開(kāi)關(guān)元件、電感器和電容器等功能部件的組合電路構(gòu)成??赏ㄟ^(guò)快速切換開(kāi)關(guān)的ON/OFF以調(diào)節(jié)輸出電壓,在理想狀態(tài)下可實(shí)現(xiàn)無(wú)損耗電壓轉(zhuǎn)換。
 
功率電感器基礎(chǔ)第1章:何謂功率電感器?工藝特點(diǎn)上的差異?
圖2-3-2 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的原理
 
本方式分為絕緣型和非絕緣型。絕緣型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器采用輸入電壓(1次側(cè))和輸出電壓(2次側(cè))通過(guò)變壓器實(shí)現(xiàn)絕緣的方式。轉(zhuǎn)換高壓電路時(shí),用于防止觸電或漏電事故。非絕緣型是相對(duì)于絕緣型的叫法,不使用變壓器,是輸入電壓和輸出電壓之間未進(jìn)行絕緣的方式。大部分使用電池的移動(dòng)設(shè)備及車載設(shè)備的電壓較低,因此使用非絕緣型DC-DC轉(zhuǎn)換器。
 
本節(jié)介紹非絕緣型DC-DC轉(zhuǎn)換器的使用示例和具體的工作機(jī)制。
 
2.4、DC-DC轉(zhuǎn)換器的使用示例
 
下面介紹在智能手機(jī)和汽車中使用非絕緣型DC-DC轉(zhuǎn)換器的示例。
 
2.4.1 案例介紹:智能手機(jī)
 
智能手機(jī)的以下配件使用DC-DC轉(zhuǎn)換器
 
本節(jié)介紹數(shù)字電路電源、RF電路電源、顯示電路電源的具體示例。
 
功率電感器基礎(chǔ)第1章:何謂功率電感器?工藝特點(diǎn)上的差異?
圖2-4-1 智能手機(jī)中DC-DC轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用點(diǎn)
 
1) 數(shù)字電路電源(PMIC*1)
 
數(shù)字電路主要指CPU、GPU、Memory等的電路。數(shù)字電路的特點(diǎn)是:比起3.6-3.8V的電池電壓,驅(qū)動(dòng)電壓僅為0.8-1.8V。因此,需要配置降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器。所用DC-DC轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)是:轉(zhuǎn)換頻率高、輸出電流大。使用體積小、L電感值較低(L約為1uH)的功率電感器。
 
*1) PMIC:Power Management IC。用于需要配置多通道DC-DC轉(zhuǎn)換器的多功能LSI、且配有多個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器和控制微機(jī)的IC。
 
功率電感器基礎(chǔ)第1章:何謂功率電感器?工藝特點(diǎn)上的差異?
圖2-4-1-1 在數(shù)字電路中的使用案例
 
2) RF電路電源
 
繼數(shù)字電路之后,較多使用DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路為RF電路。與DC-DC轉(zhuǎn)換器相關(guān)的RF電路主要指包絡(luò)跟蹤IC (ET IC)、基帶處理器、藍(lán)牙模塊、Wifi模塊等的電路。以低于電池的電壓驅(qū)動(dòng),因此需要配置降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器。DC-DC轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)是兼有模塊化類型,功率電感器及電容器配置于內(nèi)部(L約為2.2uH)。
 
功率電感器基礎(chǔ)第1章:何謂功率電感器?工藝特點(diǎn)上的差異?
圖2-4-1-2 在RF電路中的使用案例
 
3) 顯示電路電源
 
智能手機(jī)顯示屏也使用了DC-DC轉(zhuǎn)換器。液晶顯示器的LED背光及有機(jī)EL顯示面板所需的電壓高于電池,因此采用升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器。LED背光根據(jù)燈的數(shù)量調(diào)節(jié)輸出電壓。DC-DC轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)是采用高耐壓開(kāi)關(guān)元件,因此難以設(shè)置為較高的轉(zhuǎn)換頻率。因此使用L電感值較高(L約為10uH)的功率電感器。
 
功率電感器基礎(chǔ)第1章:何謂功率電感器?工藝特點(diǎn)上的差異?
圖2-4-1-3 在顯示電路中的使用案例
 
2.4.2 案例介紹:汽車/Automotive
 
汽車普遍使用非絕緣型DC-DC轉(zhuǎn)換器。汽車應(yīng)用大致分為以下幾種:
 
Power Train及Safety較多使用單路輸出DC-DC轉(zhuǎn)換器,Infotainment還會(huì)使用PMIC。與智能手機(jī)的主要差異為,運(yùn)行電壓較大,需將DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入電壓調(diào)節(jié)為12V或48V。應(yīng)用種類豐富,電感值根據(jù)用途會(huì)有較大差異。
 
使用功率電感器的主要應(yīng)用
 
Powertrain
 
Safety
 
Infotainment
 
Comfort
 
xEV System
 
功率電感器基礎(chǔ)第1章:何謂功率電感器?工藝特點(diǎn)上的差異?
圖2-4-2-1 汽車中DC-DC轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用點(diǎn)
 
本節(jié)介紹Safety中使用的ADAS、Head Lamp及Infotainment中使用的IVI案例。
 
1) ADAS、IVI電源
 
ADAS及IVI中,驅(qū)動(dòng)應(yīng)用所需電壓低于電池,因此使用降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器。電源配置與智能手機(jī)或PC類似。應(yīng)用實(shí)例:ADAS的攝像頭和傳感器、IVI的音響系統(tǒng)。DC-DC轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)是:電壓從12V降為3.3~5.0V,然后根據(jù)應(yīng)用繼續(xù)降壓,通常構(gòu)成1次和2次降壓電路。
 
功率電感器基礎(chǔ)第1章:何謂功率電感器?工藝特點(diǎn)上的差異?
圖2-4-2-2 在ADAS,IVI中的使用案例
 
2) Head Lamp電源
 
Head Lamp的LED照明主要使用升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器。根據(jù)燈的數(shù)量調(diào)節(jié)輸出電壓。DC-DC轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)是:與智能手機(jī)的LED背光相同,使用電感值較高的功率電感器。
 
功率電感器基礎(chǔ)第1章:何謂功率電感器?工藝特點(diǎn)上的差異?
圖2-4-2-3 在Head Lamp中的使用案例
 
2.5、DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作原理
 
下面介紹非絕緣型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的工作機(jī)制。DC-DC轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)分為降壓型、升壓型及升降壓型。本節(jié)以降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器為例,對(duì)工作機(jī)制進(jìn)行說(shuō)明。
 
功率電感器基礎(chǔ)第1章:何謂功率電感器?工藝特點(diǎn)上的差異?
圖2-5-1 降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的基本圖
 
圖2-5-1為降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的基本電路圖。電路配置了1個(gè)功率電感器。SW1為ON時(shí)SW2為OFF,SW1為OFF時(shí)SW2為ON。SW在ON/OFF之間切換時(shí)的電路變化如圖2-5-2所示。假設(shè)功率電感器輸入側(cè)端子的位置為A點(diǎn)。
 
SW1為ON、SW2為OFF時(shí),輸入電源的電壓將直接供給功率電感器,因此A點(diǎn)的電位與Vin相等。SW1為OFF、SW2為ON時(shí),功率電感器與輸入電源斷開(kāi),并連接到GND。因此A點(diǎn)的電位與GND相等。
 
功率電感器基礎(chǔ)第1章:何謂功率電感器?工藝特點(diǎn)上的差異?
圖2-5-2 開(kāi)關(guān)ON/OFF時(shí)的工作原理
 
這2種狀態(tài)因轉(zhuǎn)換動(dòng)作而重復(fù),功率電感器的輸入側(cè)(A點(diǎn))電壓在Vin[V]與0[V]之間交替重復(fù)。功率電感器的輸入側(cè)被施加振幅Vin的脈沖電壓。
 
為了向輸出側(cè)供給恒壓,功率電感器應(yīng)如何工作?功率電感器和平滑電容器構(gòu)成了LC低通濾波器電路。輸入側(cè)施加的脈沖電壓經(jīng)過(guò)LC電路的平滑化處理后輸出。如此考慮就容易理解恒壓輸出機(jī)制。
 
圖2-5-3所示為進(jìn)行轉(zhuǎn)換動(dòng)作時(shí)A點(diǎn)電壓與Vout的關(guān)系。上圖表示SW1為ON的時(shí)間占50%,即占空比為50%。對(duì)此時(shí)的電壓進(jìn)行平滑化處理后,50% Vin的Vin/2將作為輸出電壓Vout輸出。下圖所示為占空比25%的情況。25% Vin的Vin/4將作為輸出電壓Vout輸出。即,輸出電壓越高占空比也越高,反之亦然。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器可通過(guò)更改轉(zhuǎn)換的占空比,控制各種電壓值后進(jìn)行輸出。
 
功率電感器基礎(chǔ)第1章:何謂功率電感器?工藝特點(diǎn)上的差異?
圖2-5-3 降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的電壓控制圖
 
根據(jù)上述分析,可以認(rèn)為通過(guò)開(kāi)關(guān)控制能對(duì)輸出電壓進(jìn)行控制。但在選擇功率電感器之前,必須了解功率電感器的規(guī)格將對(duì)效率和噪聲產(chǎn)生何種影響。為此需要對(duì)電感器的電流進(jìn)行說(shuō)明。
 
下面談一談電感器電流。如上所述,功率電感器可對(duì)脈沖電壓進(jìn)行平滑化處理,此外還有一個(gè)重要作用,它取決于電感器的自感特性。如圖2-5-2所示,SW1為ON時(shí)輸入側(cè)供給的電流為Iout,SW1變?yōu)镺FF后,輸入電源立刻斷開(kāi),從而無(wú)法供給Iout。功率電感器可以解決這個(gè)問(wèn)題。電感器具有自感特性,會(huì)沿著阻礙電流變化的方向產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。因此,即使電感器上施加的電壓消失,也可確保繼續(xù)產(chǎn)生電流。
 
功率電感器基礎(chǔ)第1章:何謂功率電感器?工藝特點(diǎn)上的差異?
圖2-5-4 功率電感器的電壓電流波形
 
圖2-5-4為DC-DC轉(zhuǎn)換器工作時(shí),功率電感器的電壓波形和電流波形。SW1為ON時(shí),輸入電源通電,電感器產(chǎn)生電流。此時(shí),電流隨時(shí)間增加而上升,積蓄的能量也隨之增加。SW1為OFF時(shí),輸入側(cè)電壓變?yōu)?[V],根據(jù)電感器的特性,電流不立即消失,而隨時(shí)間增加而逐漸減少。也可認(rèn)為SW1為ON時(shí)積蓄的能量在OFF時(shí)釋放。
 
功率電感器使電流連續(xù)產(chǎn)生,呈現(xiàn)三角波形。流經(jīng)電感器的三角波電流振幅公式如下。
 
功率電感器基礎(chǔ)第1章:何謂功率電感器?工藝特點(diǎn)上的差異?
 
上式的各項(xiàng)參數(shù)如何影響工作電流波形?
 
村田曾發(fā)布web工具“DC-DC轉(zhuǎn)換器輔助設(shè)計(jì)工具”。該工具可以選擇符合DC-DC轉(zhuǎn)換器運(yùn)行條件的功率電感器和多層陶瓷電容器。下面介紹使用本工具后,各種參數(shù)對(duì)DC-DC轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行產(chǎn)生何種影響。
 
DC-DC轉(zhuǎn)換器輔助設(shè)計(jì)工具:
https://ds.murata.co.jp/mpst/
 
功率電感器基礎(chǔ)第1章:何謂功率電感器?工藝特點(diǎn)上的差異?
圖2-5-5 DC-DC轉(zhuǎn)換器輔助設(shè)計(jì)工具示例
 
按以下方式設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)條件,模擬各參數(shù)變動(dòng)時(shí)的情況。(將模擬工具的計(jì)算結(jié)果導(dǎo)出為CSV文件后,根據(jù)該文件生成圖表。)
<標(biāo)準(zhǔn)條件>
Vin:3.6V
Vout:1.8V
周波數(shù):2MHz
Iout:1.5A
L:1.0μH
 
Vin、Vout是決定電感器電壓大小和占空比的參數(shù)。改變Vout后,電壓波形隨之變化(圖2-5-6)。改變其他參數(shù)后,頻率發(fā)生變化,但電壓大小和占空比不變。電壓變動(dòng)后,電流波形隨之變化。
 
如果Vin、Vout設(shè)為較大值,則時(shí)間變化后電流變化量也呈增大趨勢(shì),紋波電流⊿I變大。
 
電感或頻率變動(dòng)時(shí)電壓不變,但紋波電流會(huì)受到影響。電感增大會(huì)抑制電流變化,因此紋波電流將變小(圖2-5-7)。頻率增加會(huì)使1個(gè)循環(huán)的時(shí)間變短,因此紋波電流將變小(圖2-5-8)。
 
Iout變動(dòng)時(shí),三角波電流的波形不變,但電流平均值會(huì)隨Iout的大小而變化(圖2-5-9)。
 
功率電感器基礎(chǔ)第1章:何謂功率電感器?工藝特點(diǎn)上的差異?
圖2-5-6 Vout變動(dòng)時(shí)的電壓電流波形
 
功率電感器基礎(chǔ)第1章:何謂功率電感器?工藝特點(diǎn)上的差異?
圖2-5-7 電感變動(dòng)時(shí)的電壓電流波形
 
功率電感器基礎(chǔ)第1章:何謂功率電感器?工藝特點(diǎn)上的差異?
圖2-5-8 頻率變動(dòng)時(shí)的電壓電流波形
 
功率電感器基礎(chǔ)第1章:何謂功率電感器?工藝特點(diǎn)上的差異?
圖2-5-9 Iout變動(dòng)時(shí)的電壓電流波形
 
功率電感器的電壓和電流波形取決于DC-DC轉(zhuǎn)換器的各條件和功率電感器的電感。
 
1.2節(jié)對(duì)電感和直流疊加特性進(jìn)行了說(shuō)明。如果電感過(guò)低,則紋波電流將變大,如果直流疊加特性不佳,會(huì)在通入大電流時(shí)導(dǎo)致電感降低,從而使紋波電流增加。此類電感器的規(guī)格對(duì)DC-DC轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行產(chǎn)生較大影響。
 
第2章對(duì)DC-DC轉(zhuǎn)換器的種類和工作機(jī)制進(jìn)行了說(shuō)明。要掌握功率電感器的必要特性,應(yīng)了解工作機(jī)制和電感器電流的波形,這一點(diǎn)非常重要。
 
(來(lái)源: 貿(mào)澤工程師社區(qū),文章轉(zhuǎn)載自村田中文技術(shù)社區(qū))
 
 
免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問(wèn)題,請(qǐng)聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
 
 
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