使用双升压转换器来扩展高转换率设计的功率范围

任何启动转换器的设计都将有一个实际的限制,它可以增加多少电压从输入到输出。脉冲宽度调制控制器具有限制场效应晶体管(FET)最小允许时和非时的时间限制。时序限制将有效地限制可实现的电压提升比,尽管这一缺点在以电感代替变压器或耦合电感作为其磁性的拓扑结构中更为明显。在这个电源提示中,我将比较各种非孤立的,单端提升拓扑,以扩展电压提升比,并引入双头转换器作为实现大转换率和高电流输出负载的一个选项。

图1 展示了一个标准的提升转换器与单电感,FET和二极管。任何能产生pbm信号的提升控制器,其任务周期都会有一个时间限制。

图1 一个标准的提升转换器使用单电感,FET和二极管。

控制器之间的最大任务周期不同,但一般而言,在较高的开关频率下限制更低。虽然现代的升压控制器可以超过90%的负荷周期,但是如果需要一个非常大的输出电压,这种特性仍然会限制能力。假设是理想的二极管,方程1表达了连续传导模式提升变换器的责任循环:

你也可以把方程1重新排列到方程2,以显示输入电压与输出电压的升压比:

假设最大功率周期为80%,从输入到输出的电压可以提高五倍。在不连续传导模式(DCM)下运行是实现更高转换率的一种选择;然而,不连续运行所需的较低电感将导致整个功率级的峰值电流增加。然后,随着输出功率需求的增加,更高的峰值电流将限制你在功率级可以使用的组件。

增加控制器提升范围的另一个选择是在输出中添加电荷泵。 图2 将二极管和一对电容器添加到标准的升压转换器中.添加随后的电容-二极管阶段可以进一步提高增强能力。

图2 电荷泵使用额外的电容器和二极管来增加电压。

为了 M 电荷泵级数,方程3计算此拓扑变化的升压比如下:

使用相同的80%的负荷循环限制,一个两级电荷泵提升转换器可以提高电压10倍从输入到输出。如果您需要一个更大的提升比,增加阶段可以进一步增加充电泵的范围。这种方法的缺点是,每个电荷泵阶段都在源和负载之间添加一对二极管。每个二极管对将增加转换器的整个二极管传导损失,从而使这种拓扑结构不适用于高输出电流应用。

双升压转换器成为既需要大幅度提升电压又需要更大持续负载电流的设计的坚实选择。顾名思义,这个拓扑演示了一个共享的PBM信号控制两个级联提升转换器。 图3 显示一个双启动转换器运行一个单ppm输入。当电荷泵按比例增加了所使用的阶段数的升压比时,双升压转换器的一个好处是,在给定的阶段数中,升压比是如何指数地增加的。

图3 双头变换器级联的两个阶段优化的升级转换。

公式4表示输出电压与输入电压的比率 n 增加阶段的数目:

保持相同的80%负荷循环的例子,双头转换器可以从输入到输出增加25倍电压。这大大增加了幅度,相比之下,使用标准提升转换器的5次提升和使用两级电荷泵提升器的10次提升。

表1 列出三个推进拓扑变化之间的差异。一般而言,双放大变换器是这些拓扑中性能最高的。然而,性能的提高伴随着组件数量的增加和设计的复杂性。

特征的定期推动充电泵双推

尺寸小的中型的大的

V 数据交换系统 强调的V 在外面V 在外面 /√V 在外面 十五价 在…中 , V 在外面

(需要两项费用)

磁学单电感单电感两个电感器

实际应用小升压比

(五) 在外面 &l;10xV 在…中 )较大的升压比

(五) 在外面 第10号和第10号 在…中 )很大的升压比,很高的功率

(五) 在外面 10X诉 在…中 )

限制工作周期限额高BOM计数高成本

表1 非孤立型升压变化比较摘要。

在设计双升力的功率级时,要分别考虑每个升力级。换句话说,在选择双升压转换器的组件时,对中电压的输入与中输出电压不同。

假设两个阶段的双升压变换器是操作在集束弹药中心,方程5表示中电压(VMID):

中间电压是大部分性能增加来自的地方.通过将转换分为两个步骤,第一级处理较高的电流,通过FET和二极管电压较低,而第二级转换较高的电压在较低的电流。对于每一种情况,每个功率级的每个组件都可以帮助优化功率损失。整流器的选择也有更大的灵活性。例如,低电压、高电流段可以使用同步整流器来提高效率,同时仍然使用二极管来实现高电压、低电流段。

双头变换器的主要缺点是复杂性和零件数高。由于VMID在输入电压范围内的变化,您将不得不考虑输入的两个极端。高转换率设计往往需要更多组件。然而,与充电泵提升阶段相比,双头转换器将需要更多独特的部件。第二级电压较高的FET可能需要比第一级更高的闸门驱动电压。在输入电压非常低的情况下,设计可能需要包括第二门驱动器,以便驱动更高的电压FET。

所有的提升压波M控制器都有其任务周期的限制,从而限制了电压转换的能力。拓扑的变化,如双头转换器添加了许多选项,以扩展这个可用范围。双提升转换器的灵活性使您在设计中实现了高转换率的要求,同时仍然有足够的效率来处理较重的负载条件。