优化 DC-DC 转换器稳定性:源阻抗效应的 AC 与瞬态仿真分析
探讨如何通过频域 AC 小信号分析和时域瞬态分析来优化 DC‑DC 转换器的稳定性
本快速便捷的常用术语参考资料将帮助您理解并掌握国防工业中复杂的专业语言。
作者:Matt Renola,全球航空航天与国防销售高级总监
用于指示存在来自 115/230V 线路的 AC 输入电压的信号。
对产品进行测试,以确定其在飞机及其他飞行器中能否正常工作。依据 MIL-STD-810 标准。
指电源附近静止空气的温度,即设备所处环境的温度。
交流电路的功率值,等于电流 RMS(有效值)与电压 RMS 的乘积,不考虑功率因数。
需要考虑的特定现象所覆盖的频率范围。
所有传统砖式模块化产品均有一个铝制安装基板,Vicor 在此基板上规定了工作温度,并应将其固定在具有良好导热性的表面上以实现散热。
驱动器/升压器组合中的“子”模块,其中驱动器为“父”模块。可将多个升压器与一个驱动器模块并联以获得更高的输出功率。
导致介电绝缘因过大的漏电流或电弧而失效的电压水平。对于电源而言,击穿电压是指输入端与输出端及/或机壳之间所能承受的最大交流或直流电压。
一种 DC-DC 转换器拓扑(配置),在电源变压器上采用包含两个或四个有源开关组件的桥式配置。
一种全波整流电路,在桥式配置中采用四个或更多整流器,用于将交流电流转换为直流电流。
交流电网电压的降低,通常由电力公司有意实施,以便在电力需求超过发电量或配电容量时降低功耗。
使新制造的电源(通常在额定负载下)运行一段时间,以促使元件早期失效或其他潜在缺陷暴露出来。
由于电路之间的离散电容或寄生电容,导致信号在两个电路之间耦合。
变压器或电感器绕组中心处的电气连接,通常用于使抽头两侧的匝数相等。
将模块或交流前端直接安装在机壳上的配置方式。
转换器级封装。
两根导线上相对于某个参考点同等存在的噪声;通常特指 AC 电源火线与零线相对于地线的噪声。
一种旨在应对线路、负载、环境温度的变化及随时间推移产生的漂移,从而调节输出电流的电源。
一种旨在应对线路、负载、环境温度的变化及随时间推移产生的漂移,从而调节输出电压的电源。
闭环系统中的电路,通常包含一个误差放大器,用于控制系统的运行以实现稳压。
一种接受直流输入并生成不同电压直流输出的电路,通常通过采用电感和电容滤波元件的高频开关动作来实现。
商用现成产品或技术(COTS)指经过包装或封装的现成硬件或软件,可根据采购方需求进行后期适配,而非委托定制或专有解决方案。
交流电路中波形峰值与 RMS 值的数学比值。峰值因数有时用于描述交流供电线路中的电流应力,因为在传输相同功率的情况下,峰值越高,RMS 值及其损耗也越大。波峰因数提供的信息与功率因数基本相同,并且在电源技术中正逐渐被功率因数取代。
一个输出端的负载变化对另一个输出端的稳压性能的影响。通常仅适用于非后级稳压(准稳压)输出。
一种过压保护方式,当检测到过压故障时,将电源输出短接至地,以保护负载。
一种过载保护电路,用于限制电源的最大输出电流,以保护负载和/或电源本身。
开关模式转换器的一种控制方法,转换器使用双环路控制电路,根据测得的输出电流和输出电压来调整其稳压脉冲宽度。
一种与输出电流流量成线性比例的模拟电源信号。
DCM™ 是一种隔离式、稳压 DC-DC 转换器。
用于监测直流输出状态的信号。
为提高可靠性而降低某项运行规格。对于电源而言,通常指降低规定的输出功率,以便在更高温度下运行。
电源的预期工作寿命,在此期间电源能够按照公布的技术规格正常工作。
在两个导线上相对于公共参考点测得的噪声,不包括共模噪声。测量结果为两条导线噪声分量的差值。电源中通常测量的是直流输出与直流回流端(return)之间的噪声。
在预热期后,当电网线路、负载和工作温度等其他所有变量保持恒定的情况下,输出电压随时间变化的情况。
独立配置或驱动器/升压器配置中的控制模块。驱动模块包含所有控制电路。
交流输入电压的下限,低于此限值时电源将开始因输入不足而无法维持稳压。线性电源的跌落电压主要与电网线路有关,而大多数开关电源的跌落电压主要与负载有关,与线路关系较小。
输出负载快速变化时输出电压的变化量。
总输出功率与输入功率之比,以百分比表示。
一种设计用于为电源输出端提供负载的电子设备,通常能够进行动态加载,并且常可编程或由计算机控制。
电磁兼容性。指符合电磁发射和抗扰度标准的能力。
电磁干扰。电源或其他电气/电子设备运行过程中产生的有害噪声。
等效串联电阻。与理想电容串联的电阻值,用以模拟真实电容器的性能特性。
一种本质上粒度更细的配电架构,它基于高效的配电原则对 DC-DC 转换器功能进行分配。理想的配电架构应能高效支持要求苛刻的低电压、大电流负载。FPA 是一种更高级的电源架构,可显著改善板载配电系统的性能、可靠性和经济性。
一种使用输出 ORing 二极管的并联运行方式,单个电源(模块)发生故障不会导致供电中断。并联系统的总电流不得超过负载需求,以确保单个单元故障不会导致系统过载。
场效应晶体管。一种多(数载流)子压控型晶体管。
电源的一种输出,该输出未连接或未参考任何其他输出,通常表示完全电气隔离。悬浮输出通常可用作正输出或负输出。非悬浮输出共享一个公共回流线路,因此彼此之间存在直流参考关系。
一种保护电路类型,其输出电流随着过载程度的增加而减小。当负载接近短路状态时,输出电流达到最小值。
一种开关电源,其能量在初级开关器件“导通”期间从输入端传输到输出端。
模块的 GATE IN 引脚可用于开启或关闭模块。当 GATE IN 被拉低时,模块关闭。当 GATE IN 悬空(开集电极)时,模块开启。GATE IN 引脚的开路电压低于 10V(参考点为 –VIN)。运行驱动器/升压器配置时,必须连接 GATE OUT 与 GATE IN 引脚。
GATE OUT 引脚是转换器的时钟脉冲,用于将升压器模块与驱动器模块同步,以构建高功率阵列。
与地或连接至地的某些其他导体的电气连接。有时“地”一词被用来替代“公共端”,但除非该连接也确实接地,否则这种用法是不正确的。
由于两个或多个电路共享一个公共电气接地而意外引起的反馈环路。
一种本质上是正弦的波形,但由叠加在另一个波形上的一部分正弦波组成。典型离线电源的输入电流波形呈半正弦波形。
与串联调整稳压器配合使用,指输入电压与输出电压之间的差值。
一种高热容介质,可以无限吸收(散失)热量而温度变化可忽略不计。Vicor 模块不一定需要散热器,其使用在很大程度上取决于具体的应用、功率和环境温度。
输入引脚上的最大稳态输入电压。
高电位(High Potential)的缩写,通常指用于测试介电耐压能力的高电压,以满足监管机构的电气安全要求。
一种电容器,其储存的能量用于在输入电压断开后的一段时间内维持输出电压。
交流输入失效后,电源仍能维持稳压运行的时间长度。线性电源由于存储在低压次级侧输出电容器中的能量有限,保持时间非常短。开关电源因高压初级侧储能电容较大,保持时间较长。
在系统通电状态下插入或拔出电源。
指定频率下电压与电流的比值。
由另一个电路产生的变化磁场而在电路中生成的噪声。
安装在电源输入端内部或外部的低通或带阻滤波器,用于减少馈入电源的噪声。
交流电源接通瞬间流入电源的峰值电流。由于输入滤波电容的充电作用,该峰值可能远高于稳态输入电流。
一种在电源开启时限制浪涌电流大小的电路。
指两个电路在直流电位方面完全电气分离,并且在交流电位方面也几乎总是分离。在电源领域,隔离指通过变压器实现输入与输出之间的电气分离。
可以施加于电源输入与输出和/或机壳之间的最大交流或直流测试电压。通常,根据 EN60950 等监管机构标准,此电压施加时间有限制。
指在交流供电线与地之间流动的电流。该术语不一定表示故障状态。在电源领域,漏电流通常指通过交流线路和地之间的 EMC 滤波电容(Y 电容)流动的 60Hz 电流。
一种稳压技术,将耗能的有源器件(如晶体管)串联在电源输出端以调节输出电压。
当交流输入电压从规定的最小值升高到最大值时,输出电压的变化。
提供给电源的正弦波电压,通常以电压 RMS 值表示。
输出负载变化时,输出电压的变化量。
使用电源的电压输出端作为电压调节的感测点。
在所有其他因素保持恒定时,电源输出电压随时间变化的情况。该稳定性以百分比表示,会随着元件老化而发生变化。
能够施加在转换器的 +IN 和 –IN 引脚之间并仍能维持输出稳压的最小稳态电压。
市政交流配电线路。
将电源输出电压从其标称设定值向上或向下调整,以验证系统在供电电压方面的性能余量。这通常通过系统生成的控制信号以电气方式完成。
一种行业标准,规定工作温度可低至 –55°C。
用于军事环境的设备必须满足的军用标准。
一项美国军用标准,描述了如何对设备进行电磁兼容性测试。
美国军用标准,定义了军用飞机与其设备及外挂物之间的标准化电源接口,涵盖了交流和直流系统的电压、频率、相位、功率因数、纹波、最大电流、电气噪声以及异常情况(过压和欠压)等内容。
美国军用标准,定义了所有军用地面车辆共有的标称 28VDC 电压特性,特别是在直接连接到相关配电网络的电子/电气组件输入电源端子处的特性。MIL-STD-1275 标准建立了军用车辆平台之间的一致性框架。设计主管机构负责确保施加到设备输入电源端子的 28VDC 符合 MIL-STD-1275 要求。此标准不涉及电源或电源系统,而是侧重于用电设备和要求的运行条件。
获美国海军海上系统司令部(NAVSEA)批准使用,并可供国防部所有部门和机构使用的美国军用标准。MIL-STD-1399 标准旨在定义舰载用户设备在使用舰载交流电源时所需遵循的标准接口要求与设计约束。
MTBF 是指定总体中有 63% 的产品不再符合规格的时间点。该时间可以通过计算或演示确定。通常依据 MIL-STD-217 Rev. E 标准进行计算。演示的可靠性通常通过温度加速寿命试验确定,并且通常大于计算出的 MTBF。
输入电压范围的中间值。
通常、平均、正常或预期的运行条件。该标称值可能与实际测量值不完全相同。
一种从交流线路获取输入功率的电源,在整流和滤波之前不使用 50/60Hz 电源变压器,故称为“离线”电源。一种从交流线路获取输入功率的电源,在整流和滤波之前不使用 50/60Hz 电源变压器,故称为“离线”电源。
设备在符合技术规格的前提下可运行的温度范围。
一种在直流隔离边界上传输信号的电光器件。
在故障条件下用于隔离多个电源的二极管。
用于降低开关电源噪声和纹波的滤波器。
一种电源状态信号,指示输出电压处于特定容差范围内。若输出电压过高或过低,该信号将被关闭。
输出电压变化量与负载电流变化量的比值。
可能出现在电源直流输出上的交流成分。开关模式电源的输出噪声通常包含两个分量:转换器开关频率处的低频分量,以及由转换器开关转换的快速边沿引起的高频分量。噪声应始终使用带有极短接地引线的示波器探头,在输出端子处直接进行测量。
电源在仍能保持安全认证机构批准的前提下所能提供的最大输出功率(单位:瓦)。
参见设定点精度(setpoint accuracy)。
一种电源保护电路,用于在过载条件下限制输出电流。
由于开启或关闭电源,或突然改变线路或负载条件引起的、超过电压精度规格上限的瞬态输出电压变化。
一种 TTL (晶体管-晶体管逻辑)兼容信号,指示电源内部存在过温状态。
一种在输出过压情况下可关闭电源或将输出短接至地(Crowbar)以保护系统的电路。
将两个或多个电源的输出连接在一起,以获得更高的输出电流。这需要专为负载分担设计的电源。
周期性和随机性偏差。指电源直流输出端所有纹波和噪声分量之和,无论其性质或来源如何。
电源在不造成立即损坏的情况下所能产生的绝对最大输出功率。峰值功率能力通常远高于连续输出功率能力,但其平均功率不应超过额定规格。
开关电源或 DC-DC 转换器输入端常用的一种滤波器,用于减小反射纹波电流。该滤波器通常由两个并联电容及其之间的电感组成。
电源辅助输出上的次级稳压电路,用于为该输出提供稳压。
一种电源接口信号,用于警告输入电压将无法再维持满功率稳压输出。
交流电路中有功功率与视在功率的比值。在电源转换技术中,功率因数用于描述电源的交流输入电流特性。
从电源中汲取的少量电流,用以稳定其运行。
隔离电源的输入部分,连接到交流电网,因此存在危险电压电平。
对 Vicor 产品进行环境和验收测试的评级结果。
一种开关电源转换技术,通过调制占空比的导通时间(或宽度)来控制功率传输,从而调节电源输出。
一种利用中心抽头变压器和两个功率开关的开关模式电源拓扑。这两个开关交替导通与关断。
对辅助输出的稳压,通过主输出的稳压来实现。利用与所需辅助输出电压相匹配的变压器匝比,并结合主控制环路闭合的输出进行调节。准稳压输出受转换器中二阶效应的显著影响。
电源在指定环境温度下所能提供的最大负载电流。
存在于电源输入端的 RMS 或峰-峰值交流电流,由转换器的开关频率产生。
电源在输入电压和/或负载变化条件下,将输出电压维持在规定容差范围内的能力。
输出电压允许的总误差范围。这包括线路、负载、温度和时间等因素对稳压性能的综合影响。
CSA: 加拿大标准协会;FCC:美国联邦通信委员会;FTZ:德国电信技术总局;TÜV:德国技术监督协会;U.L.:美国保险商实验室;VDE:德国电气工程师协会。
一种电源接口信号(通常与 TTL 兼容),用于命令电源关闭一路或所有输出。
使电源可以远程开启或关闭。通常通过开路或 TTL 逻辑“1”来开启电源,通过开关闭合或 TTL 逻辑“0”来关闭电源。
与电源输出电缆并联连接的导线,使电源能够检测负载处的实际电压,以补偿输出电缆和/或隔离器件中的电压降。
电源输出公共端子的指定名称,用于承载输出的回流电流。
一种保护电路,用于防止在输入或输出端施加反向电压时电源受到损坏。
射频干扰。电源或其他电气/电子设备在运行过程中产生的不需要的噪声。在电源技术中,RFI 通常与 EMC 含义相同。
电源直流输出端交流分量的幅度,通常以毫伏峰-峰值或 RMS 表示。对于线性电源,纹波频率通常为交流电网频率。对于开关电源,该频率通常为转换器级的开关频率。
一种连接到地的导电路径,用于在发生设备故障或事故时分流可能出现的危险电流,以保护人员免受电击伤害。
隔离电源的输出部分,与交流电网隔离,专门设计用于确保可能带电操作系统的人员的安全。
安全特低电压的缩写,监管机构通常将其定义为人体可接触而不会导致伤害的最高电压。通常具体定义为 30VAC 或 42.4VDC。
实际输出电压与规定输出电压之比。
一种用于确定多路输出电源各输出通道的激活顺序的技术。
一种在电源首次开启时逐渐激活电源电路的技术。该技术通常用于提供逐渐上升的输出电压并限制浪涌电流。
指为电源馈送输入功率的交流电网中存在较大阻抗的情况。随着负载增加,电源输入电压显著下降。
电源被控制输入(远程关闭)关闭或在空载条件下消耗的输入电流。
指为电源馈送输入功率的交流电网中没有显著阻抗的情况。电源的输入电压不随负载发生明显变化。
开关电源中直流电压接通和断开的频率。
环境温度每变化 1°C 时,输出电压的平均变化量,以百分比表示。通常针对预定温度范围进行规定。
随着温度升高而降低电源的输出功率,以维持可靠运行。
一种相变材料(ThermMate),用作转换器与散热器或机壳之间的热界面材料。
一种电源保护电路,当内部温度过高时关闭电源。
转换器的设计类型,反映开关晶体管的配置、变压器的使用方式以及滤波类型。常见拓扑包括反激式、正激式、半桥式、全桥式、谐振式和零电流开关等。
多路输出电源的一种特性,指由线路、负载和/或温度引起的某路输出电压的任何变化,均与伴随输出的类似变化成比例。
在线路或负载条件发生阶跃变化后,输出电压恢复到规定精度限值内所需的时间。
交流电路中实际消耗的功率。与视在功率相比,有功功率不包含可能存在的无功功率分量。
标称电压幅值相等但极性相反的两路输出电压之间的幅值差异,以百分比表示。
开关转换器校正输出电压变化的一种闭环控制方法。
从电源开启至 25°C、满载和标称线路条件下达到热平衡的时间段内,电源输出电压的初始变化。
电源从初始开启到其性能指标符合规格要求所需的时间。
连接在供电线路之间、用于抑制差模干扰的电容器。
电源转换模块通常需要从线路到机壳(地)之间的旁路电容器,以分流共模噪声电流并将其限制在转换器本地。当转换器由整流后的交流电网电压供电时,旁路电容器失效可能导致过大的漏电流流向设备机壳,从而造成接地故障和触电危险。因此推荐使用一种特殊类别的电容器,即Y电容。这些电容器的电介质具有独特的“自愈”特性,有助于防止过量漏电。
在零电流时导通和关断开关器件,从而实现基本无损耗的开关过程。零电流开关拓扑使 Vicor 转换器能够以高达 1MHz 的频率工作,效率高于 80%,功率密度高于传统拓扑。
该技术可显著降低由于开关 MOSFET 结电容放电和二极管反向恢复造成的开关损耗和 dV/dt 噪声,使开关模式转换器能够在更高频率下工作。
Matt Renola 是 Vicor 航空航天、国防和卫星业务部全球业务发展高级总监。Matt 在 Vicor 工作了 15 年,负责管理 Vicor 所有重要垂直市场的 Vicor 销售团队和全球客户。他拥有 30 多年的技术销售和营销经验,也曾为那些重要的原始设备制造商工作过:Artesyn Technologies、艾默生网络能源和 Vishay Intertechnology。他拥有波士顿学院的本科学位和宾夕法尼亚大学的硕士学位。
Matt Renola,全球航空航天和国防销售高级总监
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