功率电感器@@@@基础讲座@@——第@@2章@@:DC-DC转换器@@

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第@@1章@@介绍了功率电感器@@@@特性的@@查看方法及@@工艺特点@@上的@@差异@@。

功率电感器@@@@是构成@@DC-DC转换器@@等电压@@变化电路@@的@@功能部件@@,因此@@其优劣和常数的@@选择需要符合@@DC-DC转换器@@的@@工作机制@@。本章@@介绍@@DC-DC转换器@@的@@工作机制@@和功率电感器@@@@的@@作用@@@@。

2.1 DC-DC转换器@@简介@@

DC-DC转换器@@是将一定范围的@@输入@@电压@@转换为@@恒定输出@@电压@@的@@电路@@总称@@。 其转换方式包括线性稳压器和开关@@稳压器@@。另外@@,电路@@配置@@因输入@@电压@@的@@升降而不同@@,存在@@多种类型@@。

图@@2-1 DC-DC转换器@@的@@定义@@

图@@2-1 DC-DC转换器@@的@@定义@@

 

 

2.2 配置@@DC-DC转换器@@的@@必要性@@

只有电源@@电路@@需要配置@@@@DC-DC转换器@@。CPU、内存@@、LED等配件的@@运行需要各种@@DC电压@@。例如@@,移动设备@@的@@锂离子电池@@,其电池电压@@仅为@@@@3.7V。调整这@@些电压@@差需要配置@@@@DC-DC转换器@@。DC-DC转换器@@的@@应用@@非常普遍@@,几乎所有电子设备@@都需要使用@@@@。 

图@@2-2 配置@@DC-DC转换器@@的@@必要性@@

图@@2-2 配置@@DC-DC转换器@@的@@必要性@@

2.3 DC-DC转换器@@的@@分类@@

DC-DC转换器@@分为@@线性稳压器和开关@@稳压器@@。

图@@2-3 DC-DC转换器@@的@@分类@@

图@@2-3 DC-DC转换器@@的@@分类@@

2.3.1 线性稳压器的@@原理@@

线性稳压器采用@@最简单的@@方式@@,通过电阻分压转换电压@@@@。例如@@,希望将输入@@电压@@的@@一半转换为@@输出@@电压@@时@@@@,可使负载电阻和稳压器的@@可变电阻相同@@。

图@@2-3-1 线性稳压器的@@原理@@

图@@2-3-1 线性稳压器的@@原理@@

本方式具有简单@@、低价的@@特点@@@@,但由于使用@@电阻@@,因此@@具有输入@@@@/输出@@的@@电位差越大@@,功率损耗也越大@@(效率降低@@)的@@缺点@@@@,从而导致移动设备@@等的@@电池使用@@时@@间缩短@@。部分设备@@还会配置@@冷却机构@@,以降低因功率损耗而产生的@@热量@@。因此@@,大多数情况用@@于功耗较低@@、输入@@/输出@@电位差较小的@@电路@@@@,而功耗较高的@@电路@@基本使用@@开关@@稳压器@@。

2.3.2 开关@@稳压器的@@原理@@

开关@@稳压器由开关@@金宝@@博@@手机登录@@@@ 、电感器@@和电容器@@等功能部件的@@组合电路@@构成@@。可通过快速切换开关@@的@@@@ON/OFF以调节输出@@电压@@@@,在@@理想状态下可实现无损耗电压@@转换@@。

图@@2-3-2 开关@@稳压器的@@原理@@

图@@2-3-2 开关@@稳压器的@@原理@@

本方式分为@@绝缘型和非绝缘型@@。绝缘型开关@@稳压器采用@@输入@@电压@@@@(1次侧@@)和输出@@电压@@@@(2次侧@@)通过变压器实现绝缘的@@方式@@。转换高压电路@@时@@@@,用@@于防止触电或@@漏电事故@@。非绝缘型是相对于绝缘型的@@叫法@@,不使用@@变压器@@,是输入@@电压@@和输出@@电压@@@@之间未进行绝缘的@@方式@@。大部分使用@@电池的@@移动设备@@及@@车载@@设备@@的@@电压@@较低@@,因此@@使用@@@@非绝缘型@@DC-DC转换器@@。 

本节介绍@@非绝缘型@@DC-DC转换器@@的@@使用@@示例@@和具体的@@工作机制@@。

2.4 DC-DC转换器@@的@@使用@@示例@@

下面介绍在@@智能手机@@和汽车@@中@@@@使用@@非绝缘型@@DC-DC转换器@@的@@示例@@。

2.4.1 案例@@介绍@@:智能手机@@

智能手机@@的@@以下配件使用@@@@DC-DC转换器@@

本节介绍@@数字电路@@电源@@@@@@@@、RF电路@@电源@@@@、显示电路@@电源@@@@@@的@@具体示例@@。

图@@2-4-1 智能手机@@中@@@@DC-DC转换器@@的@@应用@@点@@@@

图@@2-4-1 智能手机@@中@@@@DC-DC转换器@@的@@应用@@点@@@@

1) 数字电路@@电源@@@@@@(PMIC*1)

数字电路@@主要指@@CPU、GPU、Memory等的@@电路@@@@。数字电路@@的@@特点@@是@@:比起@@3.6-3.8V的@@电池电压@@@@,驱动电压@@仅为@@@@0.8-1.8V。因此@@,需要配置@@降压型@@@@DC-DC转换器@@。所用@@@@DC-DC转换器@@的@@特点@@是@@:转换频率高@@、输出@@电流大@@。使用@@体积小@@、L电感值@@较低@@(L约为@@@@1uH)的@@功率电感器@@@@@@。

*1) PMIC:Power Management IC。用@@于需要配置@@多通道@@DC-DC转换器@@的@@多功能@@LSI、且配有多个@@DC-DC转换器@@和控制微机的@@@@IC。

图@@2-4-1-1 在@@数字电路@@中@@的@@使用@@案例@@@@@@@@

图@@2-4-1-1 在@@数字电路@@中@@的@@使用@@案例@@@@@@@@

2) RF电路@@电源@@@@

继数字电路@@之后@@@@,较多使用@@@@DC-DC转换器@@的@@电路@@为@@@@RF电路@@。与@@DC-DC转换器@@相关的@@@@RF电路@@主要指包络跟踪@@IC (ET IC)、基带处理器@@、蓝牙模块@@、Wifi模块等的@@电路@@@@@@。以低于电池的@@电压@@驱动@@,因此@@需要配置@@降压型@@@@@@DC-DC转换器@@。DC-DC转换器@@的@@特点@@是@@兼有模块化类型@@,功率电感器@@@@及@@电容器@@配置@@于内部@@(L约为@@@@2.2uH)。

图@@2-4-1-2 在@@RF电路@@中@@的@@使用@@案例@@@@@@

图@@2-4-1-2 在@@RF电路@@中@@的@@使用@@案例@@@@@@

3) 显示电路@@电源@@@@@@

智能手机@@显示屏也使用@@了@@DC-DC转换器@@。液晶显示器的@@@@LED背光及@@有机@@EL显示面板所需的@@电压@@高于电池@@,因此@@采用@@升压型@@DC-DC转换器@@。LED背光根据灯的@@数量调节输出@@电压@@@@@@。DC-DC转换器@@的@@特点@@是@@采用@@高耐压开关@@金宝@@博@@手机登录@@@@ ,因此@@难以设置为@@较高的@@转换频率@@。因此@@使用@@@@L电感值@@较高@@(L约为@@@@10uH)的@@功率电感器@@@@@@。

图@@2-4-1-3 在@@显示电路@@中@@的@@使用@@案例@@@@@@@@

图@@2-4-1-3 在@@显示电路@@中@@的@@使用@@案例@@@@@@@@


2.4.2 案例@@介绍@@:汽车@@/Automotive

汽车@@普遍使用@@非绝缘型@@DC-DC转换器@@。汽车@@应用@@大致分为@@以下几种@@:
Power Train及@@Safety较多使用@@@@单路输出@@@@DC-DC转换器@@,Infotainment还会使用@@@@PMIC。与@@智能手机@@的@@@@主要差异为@@@@,运行电压@@较大@@,需将@@DC-DC转换器@@的@@输入@@电压@@调节为@@@@12V或@@48V。应用@@种类丰富@@,电感值@@根据用@@途会有较大差异@@。

使用@@功率电感器@@@@的@@主要应用@@@@

  • Powertrain
  • Safety
  • Infotainment
  • Comfort
  • xEV System
图@@2-4-2-1 汽车@@中@@@@DC-DC转换器@@的@@应用@@点@@@@

图@@2-4-2-1 汽车@@中@@@@DC-DC转换器@@的@@应用@@点@@@@

本节介绍@@Safety中@@使用@@的@@@@ADAS、Head Lamp及@@Infotainment中@@使用@@的@@@@IVI案例@@。

1) ADAS、IVI电源@@

ADAS及@@IVI中@@,驱动应用@@所需电压@@低于电池@@,因此@@使用@@@@降压型@@@@DC-DC转换器@@。电源@@配置@@与@@智能手机@@或@@@@PC类似@@。应用@@实例@@:ADAS的@@摄像头和传感器@@@@、IVI的@@音响系统@@。DC-DC转换器@@的@@特点@@是@@:电压@@从@@12V降为@@@@3.3~5.0V,然后@@根据应用@@继续降压@@,通常构成@@1次和@@2次降压电路@@@@。

图@@2-4-2-2 在@@ADAS,IVI中@@的@@使用@@案例@@@@

图@@2-4-2-2 在@@ADAS,IVI中@@的@@使用@@案例@@@@

2) Head Lamp电源@@

Head Lamp的@@LED照明主要使用@@升压型@@DC-DC转换器@@。根据灯的@@数量调节输出@@电压@@@@。DC-DC转换器@@的@@特点@@是@@:与@@智能手机@@的@@@@LED背光相同@@,使用@@电感值@@较高@@的@@功率电感器@@@@@@@@。

图@@2-4-2-3 在@@Head Lamp中@@的@@使用@@案例@@@@

图@@2-4-2-3 在@@Head Lamp中@@的@@使用@@案例@@@@

2.5 DC-DC转换器@@的@@工作原理@@

下面介绍非绝缘型开关@@稳压器的@@工作机制@@。DC-DC转换器@@的@@结构分为@@降压型@@@@、升压型及@@升降压型@@@@。本节以降压型@@开关@@稳压器为@@例@@,对工作机制进行说明@@。

图@@2-5-1 降压型@@DC-DC转换器@@的@@基本图@@@@

图@@2-5-1 降压型@@DC-DC转换器@@的@@基本图@@@@

图@@2-5-1为@@降压型@@开关@@稳压器的@@基本电路@@图@@@@。电路@@配置@@了@@1个功率电感器@@@@@@。SW1为@@ON时@@SW2为@@OFF,SW1为@@OFF时@@SW2为@@ON。 SW在@@ON/OFF之间切换时@@的@@电路@@变化如图@@@@@@2-5-2所示@@。假设功率电感器@@@@输入@@侧端子的@@位置为@@@@A点@@。

SW1为@@ON、SW2为@@OFF时@@,输入@@电源@@的@@电压@@将直接供给功率电感器@@@@@@,因此@@A点@@的@@电位与@@@@Vin相等@@。SW1为@@OFF、SW2为@@ON时@@,功率电感器@@@@与@@输入@@电源@@断开@@,并连接到@@GND。因此@@A点@@的@@电位与@@@@GND相等@@。

图@@2-5-2 开关@@ON/OFF时@@的@@工作原理@@

图@@2-5-2 开关@@ON/OFF时@@的@@工作原理@@

这@@2种状态因转换动作而重复@@,功率电感器@@@@的@@输入@@侧@@(A点@@)电压@@在@@@@Vin[V]与@@0[V]之间交替重复@@。功率电感器@@@@的@@输入@@侧@@被施加振幅@@Vin的@@脉冲电压@@@@。

为@@了向输出@@侧供给恒压@@,功率电感器@@@@应如何工作@@?功率电感器@@@@和平滑电容器@@构成了@@LC低通滤波器电路@@@@。输入@@侧施加的@@脉冲电压@@@@经过@@LC电路@@的@@平滑化处理后@@输出@@@@。如此考虑就容易理解恒压输出@@机制@@。

图@@2-5-3所示@@为@@进行转换动作时@@@@A点@@电压@@与@@@@Vout的@@关系@@。上图@@表示@@SW1为@@ON的@@时@@间占@@50%,即@@占空比为@@@@50%。对此时@@@@的@@电压@@进行平滑化处理后@@@@,50% Vin的@@Vin/2将作为@@输出@@电压@@@@Vout输出@@。下图@@所示@@为@@占空比@@25%的@@情况@@。25% Vin的@@Vin/4将作为@@输出@@电压@@@@Vout输出@@。 即@@,输出@@电压@@越高占空比也越高@@,反之亦然@@。开关@@稳压器可通过更改转换的@@占空比@@,控制各种电压@@值@@后@@进行输出@@@@。

图@@2-5-3 降压型@@DC-DC转换器@@的@@电压@@控制图@@@@

图@@2-5-3 降压型@@DC-DC转换器@@的@@电压@@控制图@@@@

根据上述分析@@,可以认为@@通过开关@@控制能对输出@@电压@@进行控制@@。但在@@选择功率电感器@@@@之前@@,必须了解功率电感器@@@@的@@规格将对效率和噪声产生何种影响@@。为@@此需要对电感器@@的@@电流进行说明@@。

下面谈一谈电感器@@电流@@。 如上所述@@,功率电感器@@@@可对脉冲电压@@进行平滑化处理@@,此外还有一个重要作用@@@@,它取决于电感器@@的@@自感特性@@。如图@@@@2-5-2所示@@,SW1为@@ON时@@输入@@侧供给的@@电流为@@@@Iout,SW1变为@@@@OFF后@@,输入@@电源@@立刻断开@@,从而无法供给@@Iout。功率电感器@@@@可以解决这@@个问题@@。电感器@@具有自感特性@@,会沿着阻碍电流变化的@@方向产生感应电动势@@。因此@@,即@@使电感器@@上施加的@@电压@@消失@@,也可确保继续产生电流@@。

图@@2-5-4 功率电感器@@@@的@@电压@@电流波形@@

图@@2-5-4 功率电感器@@@@的@@电压@@电流波形@@

图@@2-5-4为@@DC-DC转换器@@工作时@@@@,功率电感器@@@@的@@电压@@波形和电流波形@@。SW1为@@ON时@@,输入@@电源@@通电@@,电感器@@产生电流@@。此时@@@@,电流随时@@间增加而上升@@,积蓄的@@能量也随之增加@@。SW1为@@OFF时@@,输入@@侧电压@@变为@@@@@@0[V],根据电感器@@的@@特性@@,电流不立即@@消失@@,而随时@@间增加而逐渐减少@@。也可认为@@@@SW1为@@ON时@@积蓄的@@能量在@@@@OFF时@@释放@@。

功率电感器@@@@使电流连续产生@@,呈现三角波形@@。流经电感器@@的@@三角波电流振幅公式@@如下@@。

三角波电流振幅公式@@


上式的@@各项参数如何影响工作电流波形@@?

本公司曾发布@@web工具@@“DC-DC转换器@@辅助设计工具@@@@”。该工具@@可以选择符合@@DC-DC转换器@@运行条件的@@功率电感器@@@@@@和多层陶瓷电容器@@@@。下面介绍使用@@本工具@@后@@@@,各种参数对@@DC-DC转换器@@的@@运行产生何种影响@@。

DC-DC转换器@@辅助设计工具@@@@

图@@2-5-5 DC-DC转换器@@辅助设计工具@@@@示例@@

图@@2-5-5 DC-DC转换器@@辅助设计工具@@@@示例@@

按以下方式设置标准条件@@@@,模拟各参数变动时@@@@的@@情况@@@@。(将模拟工具@@的@@计算结果导出为@@@@CSV文件后@@@@,根据该文件生成图@@表@@。)

<标准条件@@>
Vin:3.6V
Vout:1.8V
周波数@@:2MHz
Iout:1.5A
L:1.0μH

Vin、Vout是决定电感器@@电压@@大小和占空比的@@参数@@。改变@@Vout后@@,电压@@波形随之变化@@(图@@2-5-6)。改变@@其他参数后@@@@,频率发生变化@@,但电压@@大小和占空比不变@@。电压@@变动后@@@@,电流波形随之变化@@。
如果@@Vin、Vout设为@@较大值@@@@,则时@@间变化后@@电流变化量也呈增大趋势@@,纹波电流@@⊿I变大@@。

电感或@@频率变动时@@@@电压@@不变@@,但纹波电流@@会受到影响@@。电感增大会抑制电流变化@@,因此@@纹波电流@@将变小@@(图@@2-5-7)。频率增加会使@@1个循环的@@时@@间变短@@,因此@@纹波电流@@将变小@@(图@@2-5-8)。
Iout变动时@@@@,三角波电流的@@波形不变@@,但电流平均值@@会随@@Iout的@@大小而变化@@(图@@2-5-9)。

图@@2-5-6 Vout变动时@@@@的@@电压@@电流波形@@

图@@2-5-6 Vout变动时@@@@的@@电压@@电流波形@@

图@@2-5-7 电感变动时@@@@的@@电压@@电流波形@@@@

图@@2-5-7 电感变动时@@@@的@@电压@@电流波形@@@@

图@@2-5-8 频率变动时@@@@的@@电压@@电流波形@@@@

图@@2-5-8 频率变动时@@@@的@@电压@@电流波形@@@@

图@@2-5-9 Iout变动时@@@@的@@电压@@电流波形@@

图@@2-5-9 Iout变动时@@@@的@@电压@@电流波形@@


功率电感器@@@@的@@电压@@和电流波形取决于@@DC-DC转换器@@的@@各条件和功率电感器@@@@的@@电感@@。

1.2节对电感和直流叠加特性进行了说明@@。如果@@电感过低@@,则纹波电流@@将变大@@@@,如果@@直流叠加特性不佳@@,会在@@通入大电流时@@导致电感降低@@,从而使纹波电流@@增加@@。此类电感器@@的@@规格对@@DC-DC转换器@@的@@运行产生较大影响@@。

第@@2章@@对@@DC-DC转换器@@的@@种类和工作机制进行了说明@@。

要掌握功率电感器@@@@的@@必要特性@@,应了解工作机制和电感器@@电流的@@波形@@,这@@一点@@非常重要@@。

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