摘 要:針對現(xiàn)在開關(guān)電源進行了研究與改進,主要改進體現(xiàn)在減小電路本身的損耗,并給出減小紋波的新方法。通過實際電路測試,該設(shè)計能夠在原有開關(guān)電源電路的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)更小的損耗,更高的效率,更穩(wěn)定的直流電壓。能夠為現(xiàn)代移動設(shè)備進行更高效率的電源供給,解決了現(xiàn)代充電系統(tǒng)充電效率低、能量浪費嚴重的問題。
關(guān)鍵詞:DC-DC;開關(guān)電源;紋波;效率
引言
在現(xiàn)代電子電力技術(shù)中,電源技術(shù)是重中之重,因為供電系統(tǒng)的質(zhì)量是整個系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提[1]。而在電源技術(shù)中,開關(guān)電源占有很重要的地位[2~5]。開關(guān)電源是以開關(guān)器件為核心器件,通過PWM波脈寬調(diào)制輸出量的電源系統(tǒng)。它把一種等級的電壓(電流)轉(zhuǎn)換為另一個等級的電壓(電流)[6,7],分為升壓電路和降壓電路,應(yīng)用在不同的場合。文章所研究的電路是在簡單的DC-DC雙向變換電路的基礎(chǔ)上提出改進方法,使之能夠擁有更高的效率,更小的紋波。能夠應(yīng)用在手機、筆記本等充電設(shè)備。
1 開關(guān)器件損耗分析
在傳統(tǒng)boost-buck電路中,開關(guān)斷開期間利用續(xù)流二極管為電感續(xù)流,這種模式稱為異步整流方式,通常采用肖特基二極管,這種二極管在電壓降低時通路電阻比較大,損耗比較大。與之相比,MOSFET的通態(tài)電阻要小很多,帶來的損耗也相對較小,并且功率MOSFET管的對頻率響應(yīng)更快,輸入阻抗更高。所以,采用功率MOSFET代替?zhèn)鹘y(tǒng)肖特基二極管是一種有效減小功率損耗的辦法。
功率MOSFET的功耗主要由三個部分引起:寄生電容充放電損耗、通態(tài)電阻損耗和等效二極管導(dǎo)通損耗。
因為Cgd和Cgs的存在,對直流來說相當于斷路,使得從G端看去,輸入阻抗很大,D、S間的通態(tài)電阻表現(xiàn)為Rd和Rcha之和。
寄生電容損耗: 。其中,f為開關(guān)電源的頻率,C為寄生電容等效值,V為電容兩端等效電壓。
功率MOSFET通態(tài)電阻功耗:Pds=IRds其中,I0為通態(tài)電流(輸出負載電流),Rds是等效電阻,大小為:Rds=Rd+Rcha
等效二極管導(dǎo)通損耗:Pd=I0Vd。其中,I0為通態(tài)電流(輸出負載電流),Vd為二極管導(dǎo)通壓降。
在實際應(yīng)用中,功率MOSFET通態(tài)電阻功耗占主要部分,所以,下面的分析僅僅介紹通態(tài)損耗所帶來的影響以及解決辦法。
假設(shè)I0=2A,接下來對比功率MOSFET和續(xù)流二極管的功耗:
若采用續(xù)流二極管整流,消耗功率為:P=I0Vd=0.7I0=1.4W
若采用功率MOSFET代替續(xù)流二極管,消耗功率為:Prds=IRds=0.028W
由上式對比可知,單個MOSFET的功耗在同等條件下遠遠小于續(xù)流二極管的功耗,將其應(yīng)用在電路中將會大大提高變換器的效率。
2 元器件選擇
電路設(shè)計功能如下:
(1)buck模式,30V降為21V,電流穩(wěn)定在2A,電壓波動不超過0.5V。
(2)boost模式,21V升為30V,電流穩(wěn)定在2A,電壓波動不超過0.5V。
下面以buck模式為例進行分析。
電路采用PWM脈寬調(diào)制的方法實現(xiàn)雙向DCDC的功能,PWM脈沖產(chǎn)生采用TL494芯片,該芯片包含了開關(guān)電路所需要的全部功能。
電感值的計算,在側(cè)重點不同的時候,相應(yīng)的電感值計算方法也不同,這里采用折中的計算方法:L=(V_o(1-V_o/(V_in-V_on)))/(f*dI)
其中,Vin是輸入電壓,Vo是輸出電壓,f是開關(guān)頻率,Io是直流輸出電流,dI是紋波電,Von是開關(guān)器件導(dǎo)通壓降。
電容值的計算:C=V_0/8Ldl(1-D)/f^2。其中,L是濾波電感量,D是PWM波的占空比。
根據(jù)設(shè)計的要求,可求出電感L=2.5mH,電容C=450uF。
3 電路設(shè)計
采用同步整流的方法設(shè)計電路,使得電路本身功耗較小,但是用一片芯片同時驅(qū)動兩個開關(guān)管會使得脈沖電壓上升慢,造成兩只開關(guān)管同時導(dǎo)通,電路會瞬間短路,所以PWM波要經(jīng)過驅(qū)動電路才能驅(qū)動開關(guān)管穩(wěn)定工作。
驅(qū)動芯片選用IR公司生產(chǎn)的IR2110芯片,它兼有體積小、速度快的優(yōu)點。標準功耗1.25W,驅(qū)動電流可以達到2A,功耗低,驅(qū)動能力強。輸出為兩路互補波,中間有極小的死區(qū)存在,能有效的防止兩路功率管同時導(dǎo)通,增大了電路的安全性。
4 實驗結(jié)果分析
參數(shù)設(shè)置為Vin=30V,f=50kHz,L=2.5mH,C=420uF,結(jié)果表明,該電路能夠有效地減小紋波,使輸出電壓更穩(wěn)定。
功耗分析:輸入功率為:30V*2A=60W
功率管損耗功率為:Pr=4IRds=0.007W
其中Is為單個功率管通過的電流。驅(qū)動電路的標準功耗為1.25W,忽略其他損耗,則整個電路的損耗為1.257W,經(jīng)計算,整個電路的效率可以達到97.9%。
5 結(jié)束語
對傳統(tǒng)DCDC電路進行改進,得到一種性能優(yōu)良的電路,測試數(shù)據(jù)表明,該電路能夠在參數(shù)設(shè)置的范圍實現(xiàn)穩(wěn)定的輸出電壓、高效的輸出效率,并能夠抑制紋波,使之比參數(shù)設(shè)置時更小。實驗結(jié)果表明,采用多只功率管并聯(lián)的方法能夠有效地減小因功率管所產(chǎn)生的損耗。
參考文獻
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