原创 VICOR DC/DC模块的原理及应用经验

VICOR  DC/DC模块的原理及应用经验

关键词：DC/DC模块 VICOR模块 ZCS技术 电压调节

1 引言
DC/DC模块是目前电源产业中较为成熟的产品,国内外许多厂家都有其技术成熟、各具特色的品种、规格。DC/DC模块的广泛应用,简化了产品设计,提高了产品可靠性,为DC/DC、DC/AC产品的二次开发提供了有利条件。
VICOR(怀格)公司是美国的专业模块电源生产厂家,其产品最大特点是功率密度高、可靠性好。产品系列覆盖10W～600W,输入输出隔离,使用方便, 广泛应用于电信、工控、电力电子、军工、三航等领域。第一代VICOR模块借以提高电源转换效率的核心技术是ZCS（零电流开关）技术;第二代VICOR 模块使用了ZCS/ZVS（零电流/零电压开关）技术,为通信专用48V输入系列。二者原理相似,并且功能、管脚兼容,这里以现在市场上较多的VICOR 第一代模块（VI－2XX、VI－JXX、MI－2XX、MI－JXX等）为例,介绍该类产品的原理及应用过程中的经验。

2 VICOR模块介绍
2.1 原理简介
该DC/DC模块电路结构与通常的斩波DC/DC转换器相似。
在原理上,VICOR模块区别于通常产品之处主要是它使用了软开关的ZCS技术。
通常的硬开关斩波器波形近似为矩形波,即强迫开关器件在电压不为零时开通,电流不为零时关断,这样在矩形波的边沿就会因寄生参数而产生高频振荡,导致开关损耗增大,频率越高,开关损耗越大;而VICOR模块应用谐振技术,使开关器件中的电流波形近似于半周期的正弦信号,这样开关的导通、关断时刻都对应零输入电流（即开关管电流）,从而即使开关频率超过1MHz,开关损耗也只占极小的百分比。高的开关频率、低的开关损耗便产生了一系列优点：功率密度高、传导和辐射噪声小、响应快、转换效率高等。
VICOR模块的另一特点是输出电压可在额定值基础上,在5％到110％的范围内方便地调节(12V、15V是±10％)。
内部误差放大器的负输入端是输出电压的采样值,正输入端与Trim端相连。当Trim端悬空时,其上的电位由2.5V的基准源（Bandgap）决定,亦为2.5V,此时电路输出为额定值。以简单的外接电阻网络,通过调节Trim端电压（即误差放大器的基准电压）,可相应地调节输出电压。
降压时外接元件值的计算与额定输出电压无关。只需在Trim端与－OUT端间接一电阻与R5分压以确定Trim端电压。其值的计算方法如下（以－20％为例）：
要使输出电压降低20％,Trim端电压也需降低20％,这些电压都降落在内部电阻R5上：
UR5=2.5V×20％=0.5V
IR5=0.5V/10kΩ=50μA
IR5=IRd
故 Rd=(2.5V－0.5V)/50μA=40kΩ
升压时,需提高Trim端电压,一般是从＋OUT端接一电阻Ru到Trim端,故外接元件值的计算与额定输出电压相关。Ru的计算方法如下（以24V提高5％为例）：
要使输出电压提高5％,Trim端电压也需相应提高5％,这些电压也都降落在内部电阻R5上（但方向与降压时相反）：
UR5=2.5V×5％=0.125V
IR5=0.125V/10kΩ=12.5μA
IR5=IRu
又 URu="Uout"－Utrim
=(24V＋24V×5％)－(2.5V＋0.125V)
=22.575V
故 Ru="22".575V/12.5μA=1.8MΩ
当用VICOR模块进行二次开发时,有时要利用Trim功能构成闭环（见本文的应用举例）,此时就不需要上述的电阻网络。但需注意的是,对于‘－2XX’ 模块,若Trim端电压超过一定值时,模块将会发生过压保护关断（OVPShutDown）,此值额定为2.75V（实际值一般略高于此值,可达3V）。为避免模块的保护性关断,必须有措施防止此端电压过高。
2.2 管脚含义及接法
DC/DC模块管脚。
＋IN、－IN：直流电压输入正、负端。输入电压可在额定值的－（20～50）％到＋（25～60）％范围内变动,具体值请参阅产品数据手册。
GATEOUT：当多个模块并联以提高输出功率时,此端输出的脉冲信号可用于模块间的同步。同步信号一般按‘雏菊链’连接,即一模块的GATEOUT端连到下一模块的GATEIN端,可以得到几乎没有限制的功率提升能力。
GATEIN：此端是集电极开路结构,可以看作模块的使能/同步端。当它被拉低时（以－IN为基准,低于0.65V,6mA）,模块关闭;浮空时,模块工作。另外,模块频繁开关时,此端接1μF左右电容,可提供软起动功能。
＋S、－S：正、负输出电压感受/遥感端。若＋S端电压高于额定输出值的110％,将激活模块的过压保护功能（‘－JXX’无过压保护功能）,关闭模块。－S端电位不可超过0.25V,否则电流限制点将提高。
这两端用于遥感（REMOTESENSING）,即当负载离模块较远、负载电流较大时,将＋S与＋OUT、－S与－OUT分别与负载两端相连,模块将略微提高输出电压以补偿＋OUT、－OUT连线上的降,从而保证负载上的电压为额定值。当不需要遥感时,须将＋S与＋OUT、－S与－OUT直接相连。
TRIM：此端使输出电压在额定值的5％到110％的范围内可调。
＋OUT、－OUT：直流电压输出正、负端。
2.3 应用注意
（1）若将输出电压调低,因为截流点（CURRENTLIMMITPOINT）并不随之变化,输出功率将降低。此外效率降低、输出电压纹波百分比升高、输入电压范围变宽。注意,此时应提供一额定输出功率1％的假负载,若调得低于75％,所需的假负载更大。
输出电压升高时,上述参数相反变化,此时应注意不可超过额定功率,因此,不可将输出电压调得高于额定值的110％。
（2）模块应接到一呈低交流阻抗的源上。若不能保证源的低阻抗,应在模块输入端就近安装一电解电容,其最小值为：C=400μF/Uin.min。
（3）按VICOR的规程,即使没有EMI/RFI要求,模块也应被适当地旁路。一般可用RC串联网络将＋IN、－IN分别与基板相连,C为Y级 4700p,R是为降低Q值用,选1Ω。用RC并联网络将＋OUT、－OUT分别与基板相连,C也为Y级4700p,R为2MΩ。连线应尽量短。
（4）因VICOR模块效率较高,对散热的要求相对较低。但为了提高模块及系统的MTBF,常规的散热考虑和设计准则都应遵循。模块与其散热的底盘之间应有良好的导热性,并且是电绝缘的。

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