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使用多個部件構建更智慧的超寬 DC-DC 轉換器解決方案

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作者：首席高級現場應用工程師 Joe Are

要建置能夠支援超寬電壓輸入（V_IN 與V_OUT 比值大於 5:1）的 DC-DC 轉換器，會有足夠程度的挑戰。有些應用，特別是鐵路相關應用的電源及需具持能電容的電源，輸入電壓範圍要求遠遠超出現有大多數 DC-DC 轉換器可以接受的範圍，可涵蓋超寬輸入範圍的 DC-DC 轉換器通常具有幾個明顯的不足之處：超寬輸入 DC-DC 轉換器需要額定電壓較高的 MOSFET，這些 MOSFET 本身具有更高的電阻，而且轉換器在低輸入電壓和更高輸入電流下運作時其功耗更高，從而降低了DC-DC 轉換器的額定電流，因此降低了總功率密度，最終增加了單位瓦特數的成本。

超寬輸入電壓範圍 DC-DC 轉換器的典型缺點：

效率更低
功率密度更低
成本更高

使用兩個轉換器來擴大輸入電壓範圍的好處

在單個寬輸入範圍 DC-DC 轉換器導致不可接受的效能和成本時，兩個或多個重疊輸入電壓範圍的 DC-DC 轉換器的組合可能是一個高效的替代方案。支援較窄、互補輸入電壓範圍的 DC-DC 轉換器的組合通常可有更高的效率和更高的功率密度運作效能，因此總體轉換器設計得以比單個轉換器解決方案來得更小、更有效率、成本更低。

DC-DC converter input filter is designed to attenuate high-frequency noise image

圖 1 是 Vicor 的解決方案方塊圖 9 – 50V_IN DCM™ 轉換器與 43 – 154V_IN DCM 轉換器配對，建立了一個輸入電壓範圍為 9 – 154V_IN 的超寬輸入 DC-DC 轉換器。因為 9 – 50V_IN和 43 – 154V_IN DCM 轉換器的功率密度都非常高，兩者的組合可提供一個占位面積比單個輸入電壓範圍類似的半磚轉換器更小的解決方案。

Block diagram of ultra-wide-input power supply image

圖 1: 輸入超寬的電源方塊圖。

除了節省電路板空間的優勢之外，還可以考慮使用兩種互補 DCM™產品來改善功耗和效率。支持 12 – 155V_IN 範圍的同類競爭現成半磚解決方案在 12V_IN 時僅能提供 100W 的功率,峰值效率為 85％。相較之下，雙 DCM 轉換器解決方案不僅能提供 9 – 154V_IN 的範圍,而且還能在 12V_IN 時提供達160W 的功率，峰值效率則高達 91.5％。

Comparing one vs. two DC-DC converters table

表 1: 一個 DC-DC 轉換器與兩個 DC-DC 轉換器的比較。

在需要低壓持能的應用中使用三個轉換器的組合設計

另一項可使用輸入堆疊 DCM 獲得優勢的應用是需要低壓持能的超寬範圍電源。與體積大、效率低 (70 – 75％) 的單個寬輸入範圍分立式轉換器方案相比，採用三個 DCM 的解決方案可帶來更高的效率和更小的尺寸。

例如，採用大容量保持電容器的 400V_IN 輸入和 48V_OUT 輸出的應用中。三個 DCM（16 –50V_IN、43 – 150V_IN 和 120 – 420V_IN DCM）將允許輸入持能電容器放電至 16V_IN，還能持續為負載提供 48V 電壓。在正常工作時，120 – 420V_IN DCM 將提供負載電流，而 16 – 50V_IN 和 43 – 154V_IN DCM 將被停用。但在輸入電源失去後，持能電容器將在放電時連續為每個高效率 (85 – 90%) DCM 供電。

Three Vicor DC-DC converters specs image

圖 2: 三個 Vicor DC-DC 轉換器。

設計注意事項

電壓鉗位電路

為了防止輸入電壓損壞低壓 DCM™，需要電壓鉗位電路確保 DCM 不受損壞（參見圖 3）。 [有關該電路的更多詳情請參閱應用說明AN:214軍用車輛電系統瞬態規範]。該參考電路會將電壓鉗位到低於低壓 DCM 最大工作電壓且高於高壓 DCM 最低工作電壓的位準。

Example of a voltage‑clamping circuit image

圖 3: 電壓鉗位電路示例。

在進入持能運作模式時，兩個輸入電壓較低的 DCM 將需要其各自的電壓鉗位電路，而且致能電路將需要三個而不是兩個比較器。

在不同輸入電壓範圍下致能正確的轉換器運作

為了降低電壓鉗位電路 MOSFET 中的空載損耗和功耗，必須採用電路根據輸入電壓分別致能各個 DCM。該電路可以簡單地採用具有內部參考基準的比較器（見圖 4），也可以比較複雜地採用微控制器。必須在重疊電壓範圍（即 43 – 50V_IN）內實現 DCM 的致能和停用（圖 1）。當輸入電壓高於 44V 時，啟用 43 – 154V_IN DCM，在鉗位電路處於工作狀態之前必須停用 9 – 50V_IN DCM。在本示例中，鉗位電壓為 49V；因此，當輸入電壓高於 46.5V時，應停用 9 – 50V_IN DCM。

在設計系統時，請確保在考慮元件公差後，停用電壓值不得高於電壓鉗位值。此外，鉗位電路中的 MOSFET 應當有足夠的空間來處理 MOSFET 兩端的壓降（V_{IN_MAX} – V_CLAMP）、通過 MOSFET 的電流以及停用 9 – 50V_IN DCM 的靜態電流。

Example of an enable logic circuit image

圖 4: 致能邏輯電路的示例。

輸入電壓範圍改變時，轉換器間的切換

使用這種方法時，還有一些注意事項。根據輸入電壓迴轉率和致能控制方法，在停用低壓 DCM™ 和致能高壓 DCM 之間可能會有一段短暫的時間。必須正確調整 9 – 50V_IN 和 43 –154V_IN DCM 的輸出電容器的容值，才能在上述時間內提供適當的負載電流。此外，必須在停用 DCM 和重新致能該 DCM 之間有 100ms 的間隔時間，以保證軟啟動的可預測性。為了最佳化效能，輸入電壓應該透過重疊區域單調提升或衰減。最後，如果有一個或兩個 DCM 均啟用的電壓範圍，那麼在該工作區，無論將哪個 DCM 的電壓調高，該DCM將提供負載電流。