高效率超宽输入电压范围DC-DC变换器的设计方案

　　一个隔离DC/DC变换器的参数之一是该变换器能够正常工作的输入电压范围。对于那些应用于48V输入电信市场的工业标准砖型产品，其输入电压 范围通常是 36V~75V，或输入电压的最高值和最低值之比为2:1。但是有很多的应用期望变换器能够处理更宽的输入电压范围。比如，在一些系统应用中分布式输入电 压具有很大的瞬态和浪涌，而且持续时间很长，需要滤波器滤掉。

　　作为一个例子，表1显示在不同铁路系统标准中分布式电压的稳态和 瞬态范围。军用车辆设计规范也需要类似的宽输入电压范围，这样可以满足其分布式电压的变化。使用宽输入电压范围DC/DC变换器的另外一个原因是建立一个 可以被用于不同直流系统的“通用”产品，对于标称值为12V， 24V和48V的电池系统，一般需要提供三个不同的输入电压版本，作为替代，一个能够在9V到75V工作的变换器提供了单一解决方案。这种单一方案可以节 省生产成本和降低库存。

　　表1：几种铁路标准中输入电压范围的规范要求。

　 　尽管人们期望有一款宽输入变换器，但存在一个主要问题：在传统产品中，模块工作的输入电压范围越宽，变换器的性能越差。一般来讲，在给定的尺寸，比如 1/4砖，变换器的效率和能够处理的功率会随输入电压范围变宽而降低。这是一种自然结果，因为在设计最高输入电压的同时，还必须处理在输入电压最低时所带 来的非常大的输入电流。对于2:1输入范围的变化器，其最大输入电压和最大输入电流的积是需要处理功率的两倍，这种结果作为一个合理的折中是可以接受的。 但是，当一个变换器设计用来处理8:1输入范围时，其最大输入电压和最大输入电流的积是需要处理功率的8倍，这种结果是非常极端的。对与变换器隔离变压器 相关的功率电路来讲是非常严重的。

　　由于上述的限制，在商业上没有很多DC/DC变换器能够处理很宽的输入电压范围，但少数“超 宽”4:1输入的变换器在给定的物理尺寸下典型处理不到1/2的功率，这是与只有2:1输入电压输入范围的变换器在相同尺寸下所处理的功率相比。另外，宽 输入变换器的转换效率一般比2:1输入变换器低10%-25%。

　　在宽输入范围变换器中减少这种损失的一种方法是将变换器的调整 功能从其隔离功能中分离出来，如图1所示。在此图中，变换器的第一级是非隔离降压变换器，同时通过改变占空比进行电压调整功能。变换器的第二级提供没有任 何电压调整的电气隔离功能，而且一般还可以根据变压器的变比进行进一步的降压。这就是SynQor作为高效DC/DC变换器的领先者如何设计其所有的产 品。

　　图1：SynQor两级DC/DC变换器拓扑，其中非隔离调整级在非调整隔离级之前。

　 　这种两级设计的优势是只有第一级看到了输入电压的宽范围。当宽输入电压带来的损失必须要这个第一级承担时，但这种损失并不严重，因为第一级不需要隔离变 压器。对于含有变压器的隔离级，则无需面对宽输入电压范围。在这种两级设计中，其输入电压作为两级方案中的中间总线电压一直是不变的。这就允许隔离级被优 化为单一工作条件，而且使得隔离级非常容易实现基于同步整流的设计，这种同步整流设计可以极大地降低功耗。在隔离级效率地提升弥补在调整级发生的任何附加 损失都大有帮助。

　　图2：SynQor半砖新产品系列IQ64，坚固耐用，输入电压范围高达8:1。

　 　图2显示了SynQor新系列产品IQ64系列8:1超宽输入半砖DC/DC变换器。表2显示了SynQor新系列产品的不同输入电压范围。从表中可以 看出，除了正常的2:1 输入范围，还有4:1 输入范围的产品，甚至8:1输入范围的产品。对于3.3V输出电压的最大功率等级和典型效率也显示在此表中。尽管随着输入电压范围变宽，其功率等级和效率 存在一些降低，但是并不非常明显。这就是两级拓扑方案对功率电路设计的结果。

　　除了能够满足不同输入电压范围的需求，SynQor工业级DC/DC变换器InQor系列是全密封设计，非常坚固，能够应用于苛刻的环境，而这种环境时常伴随着有如此挑战性技术要求的系统。

　　表2：SynQor新工业级产品InQor系列，其功率等级和效率是标称输入电压和输入电压范围的函数。