本文介绍最新的开关稳压器解决方案。开关稳压器纹波电压公式在数字电路处理高速信号时,抖动的要求规格也变得严格,因此,需要减小影响抖动特性的脉动电压。这次,为了将影响抖动特性的开关稳压...
由于关乎车辆的性能和成本,汽车零部件的集成化、标准化一直是业界努力的方向,要实现快速的产品迭代和平台化应用,标准化和集成化都是两大利器。所谓集成化,就是对原本分立的系统进行集成,从而使得汽车相关组件数量精简,体积变小,质量变轻,效率提升。比如比亚迪基于“e 平台”打造的电动汽车,正是通过高度集成、一体控制,实现了整车重量的减轻、整车布局的优化,能耗效率的提升和可靠性的提高,最终加速推动电动汽车的普及。 高压充配电总成三合一一般包括车载充电机(OBC)、高压配电盒(PDU)以及DC-DC转换器。有些充配电总成还会在三合一的基础之上再集成双向交流逆变式电机控制器(VTOG),也就是俗称的四合一。 一.车载充电机的组成和原理 车载充电机内部可分为主电路、控制电路、线束及标准件三部分。主电路前端将交流电转换为恒定电压的直流电,主电路后端为DC/DC变换器,将前端转出的直流高压电变换为合适的电压及电流供给动力蓄电池。 车载充电机控制电路具有控制场效应管开关,它与BMS之间进行通信,监测充电机工作状态以及与充电桩握手等。线束及标准件用于主电路与控制电路的连接,固定元器件及电路板。车载充电机工作原理如图所示。 转化原理:220Vac经过EMI滤波电路滤波,通过一次AC-DC转换器整流,将AC整流为DC,后经PFC功率因数校准电路进行升压,再送往开关和变压器变频升压,经过LLC过第二次整流滤波后输出高压直流给动力电池充电(第一次220Vac整流到310Vdc,电压不够,要升压转化两次) 二.高压配电盒 电动汽车高压配电箱(PDU)又称为高压配电盒,是高压系统分配单元。电动汽车具有高电压和大电流的特点,通常配备300V以上的高压系统,工作电可达200A以上,可能危及人身安全和高压零部件的使用安全性。因此,在设计和规划高压动力系统时,不仅要充分满足整车动力驱动要求,还要确保汽车运行安全、驾乘人员安全和汽车运行环境安全。 新能源汽车通常在大功率的电力环境下运行,有的电压高达700V以上,电流高达400A,对高压配电系统的设计及零部件的选用提出了巨大的挑战。高压电源通过高压电缆直接进入高压控制盒后根据各车型系统的需要分配到系统高压电气部件,并且需要保证整个高压系统及各高压电器设备的安全性、绝缘性、电磁干扰屏蔽性等要求。 三.DC-DC转换器 1.功能 (1)驱动直流电机在小功率直流电机驱动的转向、制动等辅助系统中,一般直接采用DC/DC电源变换器供电。 (2)向低压设备供电向电动汽车中的各种低压设备如车灯等供电。 (3)给低压蓄电池充电在电动汽车中,需要高压电源通过降压型 DC/DC转换器给低压蓄电池充电,将动力电池的400V/800V的高压直流电转化为12V低压直流电给低压蓄电池充电。 (4)不同电源之间的特性匹配以燃料电池电动汽车为例,一般采用燃料电池组和动力电池的混合动力系统结构。在能量混合型系统中,采用升压型DC/DC 转换器;在功率混合型系统中,采用双向型DC/DC 转换器。 2.工作原理 3.工作原理简图 4.转换器内部 5.工作条件及判断 工作条件: (1)高压输入范围为DC290~420V (2)低压输入范围为DC9~14V 判断DC/DC是否工作的方法 第一步,保证整车线束正常连接的情况下,上电前使用万用表测量铅酸蓄电池端电压,并记录 第二步,打开到“on档”整车上电,继续读取万用表数值,查看变化情况,如果数值在13.8~14V之间,判断为DC工作 四.双向交流逆变式电机控制器 该控制器为电压型逆变器,利用IGBT将直流电转化成交流电,其主要功能是通过收集挡位信号、加速踏板信号、制动踏板信号等来控制电机,根据不同工况控制电机的正反转、功率、扭矩、转速等,即控制电机的前进、倒退、维持车辆的正常运转。此外,还具备充电控制功能,能进行交直流转换,双向充放电控制,它主要负责充电功率大于3.3KW的交流电(含单相和三相交流电)转换为高压直流电为动力蓄电池充电。该控制器总成分为上、中、下3个单元,上、下层为电机控制单元和充电控制单元,中间层为水道冷却单元。
引言:DC-DC的电感值通常我们很少计算,会直接选择手册里面推荐的值,这在通常场景下快速展开设计和选型没有问题,但是当有特别的电源需求时,就需要自己手动计算电感并选型,才能满足我们的设计指标,本节以降压DC-DC为例讲解如何计算并选择电感。 1.降压DC-DC的运转环路图15-1:Q1导通时的电流环路如图15-1是在降压型DC-DC中,当开关器件Q1导通时,电流从Vin通过电感L给输出平滑电容Cout充电,并提供输出电流Iout。此时电感L上流过的电流会产生磁场,以此将电能变换成磁能并储存起来。关注公众号硬件笔记本 图15-2:Q2关断时的电流环路 如图15-2,当开关器件Q1关断时,续流二极管Q2导通,电感L里储存的能量向输出侧释放。在Q1导通阶段Cout已经储满电量,Q刚进入关断时,电感L反向电动势维持输出电流Iout,而后电感能量减弱,Cout就会开始参与放电维持Iout,注意看电容蓝色电流虚线。 2.电感的电流波形 图15-3:流经电感L的电流波形 如图15-3是流经电感L的电流波形,Iout是电感电流的平均值。图15-1里开关器件Q1导通时电感L流过的电流,Q1导通ON的时间Ton,电感L上施加的电压VL(ON)用下式来表示: 其中VIN:输入电压;VSW:Q1导通时的压降;VOUT:输出电压本身具有电感成分的电感L的电压VL和电流IL的关系用下式表示: 由公式(2)可以判断出给电感施加一定的电压,电压和反向电流会按照V/L的斜率增加,ILT是开关器件Q1在导通之前瞬间的电流,ILP是开关器件Q1在关断之前瞬间的电流。关注公众号硬件笔记本。Ton时间段中电感流过的电流变化量可以根据公式(1)和公式(2)表示为下面公式。 接着我们来求开关器件Q1在OFF时电感L流过的电流,Q1在OFF时,电感L上应加的电压VL(OFF)根据图15-2可以表示为下面公式: 其中VD:Q2的正向压降;VOUT:输出电压通过公式(2)和公式(4),可以计算OFF时器件电感L的电流变化量 因为电感L流过电流的电荷量与输出电流的电荷量基本相等(伏秒定律),所以下面公式成立: 用公式(3)和公式(6)可以求出ON时器件的ILP: 用公式(5)和公式(6)可以求出OFF时器件的ILP,下面公式成立: 3.On duty的计算 On Duty是相对于开关振荡周期Tsw,开关器件的导通时间的比率。关注公众号硬件笔记本,用下面公式表示: 从公式(7)、(8)、(9)可以求出D,如下面公式: 对于公式(10),如果忽略开关器件Q1的压降VSW和二极管Q2的压降,可以得到On Duty由输入电压和输出电压的比来决定: 4.线圈电流的最大值 由公式(9)和公式(10)可以算出Ton如下式: 把公式(12)代入到公式(7),可以得到电感L的电流最大值ILP如下式: 把公式(13)代入到公式(6),可以得到电感L的电流最小值ILT如下式:电流的变化量 (ILP-ILT) 如下式: 由公式(13)和公式(15)可以推出最大电流和电流变化量随着电感L的增大、开关频率提高,电流值会减小。 5.电感值的计算 流过电感L电流的变化量 (ILP-ILT) 和输出电流Iout的比是电流纹波比R 把公式(15)代入到公式(16) 由公式(17)求出的电感L值的公式如下: 当输出电压VOUT很高的时候,公式可以简化如下: 要缩小R的话,增大电感,抑制ΔIL就可以了,但是电感器变大,变得不实用,所以降压型转换器通常设定在0.2~0.5的范围内。 6.线圈能流过的最大电流 电感能流过的最大电流可以用下式求得: 电感流过的电流是输出电流+纹波电流。输出短路等故障发生时,负载过渡状态中,没有软启动功能的IC在电源上升时,有时电感电流会超过上述计算的最大电流。关注公众号硬件笔记本。在过渡状态下,电感电流可能会增加到IC的开关电流限制值。因此,最安全的方法不是按照大于电感电流最大值选择电感,而是选择额定饱和电流大于开关电流限制值的电感。 7.线圈流过的有效电流 三角波的有效值如下式表示:把公式(13)和公式(14)代入公式(20)可以得到下列公式:8.电感计算实例首先列出降压型转换器的动作条件- 输入电压:VIN=12V- 输出电压:VOUT=3.3V- 输出电流:Iout=2A- 输出电流纹波比:R=0.3- 开关器件 Q1 导通时的压降:VSW=0.30- 续流二极管Q2的正向压降:VD=0.26,同步整流的时候,按照下管开关器件Q2在导通时的压降进行计算。- 开关频率:fsw=380kHz代入公式(18-1)和公式(18-2),求电感的感量,由公式(18-1)得:由公式(18-2)得:由公式(19)计算电感的最大电流:由公式(20)计算电感的额定有效电流:在设计的时候,选择满足计算值的电感,选择最接近的标准值10µH。关注公众号硬件笔记本。选择的电感值和计算值有差异的时候,用公式(17)计算电流纹波值R,把这个值代入公式(19),再次计算线圈的最大电流:
开关电源是如何稳压的呢?开关电源有24V,12V,5V,等电压,不会随电网电压波动而输出电压变动,这是因为电源芯片可以通过控制PWM占空比进行调节,那么根据什么做调整呢? 电源芯片要想稳压控制,稳压到多少V,电源芯片它并不知道,只提供一个电压反馈引脚FB,具体稳压到多少,取决于电路的设计,这样电源芯片就很灵活了,可以做成任意电压的电源了。 那么这个电压检测引脚FB要怎么连接呢?直接连到输出端,显示这是不可取的,电源芯片这端属于高压端,输出测属于低压端,通过变压器隔离了,低压输出端很安全,如果把FB引脚直接连到输出端,这样就不会隔离了,会有高压传入风险,如果低压侧接的是一颗CPU,当电路发生损坏,这颗CPU大概率会牺牲。所以要加入隔离电路,光电耦合器正好适用,光电耦合器是线性的元件,当电路设计合理,输入电压等于输出电压,改变内部光敏三极管的导通,光耦内部实际是一个集电极开漏的光敏三极管,通过上拉电阻接到电源,通过控制光耦内部的LED发光强弱,内部光敏三极管集电极即可产生跟输入端相应的电压,实现了开关电源的初级和次级隔离。那么有了隔离的光耦,还是不能正常工作的,光耦只是一个传输信号的作用,它没有检测电压的能力,谁来控制光耦内部LED的发光强度呢,还需要一个元件,TL431。TL431 器件是三端可调节并联稳压器,是一个可以调节的稳压芯片,通过REF引脚电压,TL431的C极会产生一个稳定的电压。,实际TL431内部也是一个三极管,REF电压和Vref电压比较,控制三极管的导通,就可以用TL431的C极控制光耦LED的发光强度了。 那么这个REF又是谁来控制呢,当然是电压控制,这个电压从哪里来?我们要检测输出电压,就要连接到输出电压端,但是输出端是24V,12V,5V,REF要稳压到多少V呢?这就要看电源芯片3842的FB引脚了,这个是有反馈电压要求的。 3842芯片的FB引脚内部接的是一个误差放大器,同相输入端接的是一个2.5V电压基准,FB电压和基准电压比较控制PWM,那么这个FB引脚电压要在2.5V。那么FB引脚需要2.5V的电压,光耦的输出端电压也要为2.5V,光耦输入端为2.5V,那么正好TL431可以稳压到2.5V,那么当REF引脚产生2.5V时,就可以控制光耦的输入端,反馈到电源芯片的FB引脚。 那么输出电压太高,怎么产生2.5V呢,就需要电阻进行分压,因为这里消耗的电流特别小,所以电阻分压就可以满足要求。这里的电阻是要使用精度高的电阻,精度通常是1%。利用分压计算软件,可以得到两个分压电阻的阻值。这样输出电压的变化就可以反馈到电源芯片的FB引脚,通过控制PWM的占空比,这样一个闭环回路就产生了,就可以稳定的控制输出电压。通过改变这两颗电阻的阻值,就可以小范围的改变输出电压。大范围调整电压还需要改变变压器的绕组,不然电源没有带载能力。 这是一个电源的稳压原理。通过分析,我们可以很好理解电源是如何稳压的,也是一环套一环,每个元件都有它的意义。通过对电源稳压原理的分析,我们不光可以维修好电源,还能设计出一款电源。
不对称脉宽调制半桥 DC/DCZVS变换器通过改变控制策略而不需增加额外的电子元器件,就能保持谐振变换器中的主开关管零电压导通,同时当输入电压和负载在一个很大的范围内变化时,它又可像常规 PWM变换器那样通过恒频 PWM控制调节输出电压。 1.工作原理 不对称脉宽调制半桥 DC/DCZVS变换器的电路如图 4-19所示。当开关 S1和 S2在不对称脉宽调制控制下工作时,忽略开关转换过程中的死区时间,S1、S2的工作周期分别为 D和 (1-D),它们与两开关管上的寄生二极管 VD1、VD2,寄生电容 C1、C2组成斩波器将输入直流电压转化成双向电压波形,再通过由隔直电容 CB和高频变压器初级漏感 Lr组成的串联谐振电路将不连续电压转换成连续谐振电流,然后经由变压器次级的整流电路和感性滤波电路向负载提供稳定的直流电压。调节占空比 D的大小就可以改变直流输出电压。 2.电路分析 分析电路稳态工作过程时,先做如下假设。 (1)忽略输出二极管的正向压降和电容。 (2)忽略纹波,电容 CB足够大,认为其电压 UCB近似为常数且等于 DUS。 (3)激磁电感 LM很大,并且认为激磁电流 IM为一常数。 (4)滤波电感 Lo远大于谐振电感 Lr,并且认为通过 Lo的电流 Io连续。 该电路在一个开关周期中有 8种工作模式,控制 S1的占空比 D在 0% ~ 50%范围内变化,具体分析如下。 t0≤t<t1:S1和 VD3导通,等效电路如图 4-20所示。由于 Lo和 LM远大于Lr,所以可以认为变压器初级电压是电网整流电压与隔直电容电压之差:
图1 如上图1所示,热敏电阻在开关电源中起到非常重要的作用,在这里简单的概括一下吧! 表格1 热敏电阻NTC,也称负温度系数热敏电阻,字面意思就是说这个热敏电阻的阻值会随着温度的升高,阻值而变低,温度低时,阻值较高! 那其实很多小伙伴到这就会感到很疑惑,这不是个测温的吗?怎么和开关电源的输入扯上关系了呢? 这个就是热敏电阻运用在开关电源输入处巧妙的地方! 开关电源的整流滤波电路中一般都会大的电解电容存在,在开机的瞬间,电容两端的电压不能突变,就会产生一个短时间的充电电流,形成很大的浪涌电流,这个浪涌电流对其他器件是有害的,必须加以限制,那这个时候热敏电阻就起到关键的作用了,由于上电前,热敏电阻的温度比较低,所以阻值较高,故这个时候就直接限制了电容的充电电流了(也就相当于抑制浪涌电流了),开关电源正常工作后,由于工作电流慢慢变大,通过热敏电阻的电流也随之增大,温度也同理升高,此时热敏电阻的阻值就会降低,从而功耗降低! 图2 假设电路的负载电阻为1Ω,电路中加入热敏电阻和没加入热敏电阻的这两种情况对比一下,我们通过欧姆定律简单的计算一下电流Ia,如下图所示: 图3 从图3可以看的出来,加和不加热敏电阻的电流相差10倍以上,这对电路中的整流桥可能是致命的,如果这个上电瞬间的电流不加以抑制,整流桥很容易热击穿。 在整流桥的手册中有两个参数是非常重要的,就是Ifsm(正向峰值电流)和I²t,如下图4所示: 图4 上面所示的8.3ms就是一个半波的时间,也就是半波的时间内通过的电流是60A,后面主要以这个参数来进行相应的计算。 至于I²t(熔断积分),如果说半波的时间不是8.3ms的话,就需要按照这个公式I²t来计算正向峰值电流Ifsm,比如半波的时间是4ms,整流桥的I²t等于5.8A²s 图5 则:Ifsm=√(14.91/4ms)≈61A 那该如何选型? (1)先知道NTC实物上标注的字母数字表示什么意思! 比如5D-7,指的就是25℃的环境温度下NTC的阻值为5Ω,直径为7mm的圆形NTC热敏电阻。 (2)选择多大阻值的NTC? 在实际的电路中,回路的电阻主要由保险丝+NTC+电解电容ESR+PCB走线的线阻组成,由于保险丝和PCB走线的电阻都很小,可忽略不计。 从上面的图4中,我们可以知道整流桥的Ifsm=60A,故根据欧姆定律: 负载电阻R等于整流后的电压除以Ifsm: R=1.414*220V/60A≈5.1Ω 由于保险丝和PCB走线的电阻忽略不计,所以剩下的就是电解电容的ESR和NTC了,电解电容的ESR可以查看具体的规格书可知(图片来源于网络): 图6 由之前的文章可知我们选择的电容为10uF/400V,还不清楚的小伙伴可以翻看这篇文章:反激式开关电源器件计算与选型(二)——输入电容 由图6可知电解电容的ESR为4.5Ω,所以NTC的阻值必须大于5.1-4.5Ω。也就是R25(25指的就是环境温度25℃)这个指标: (3)选择多大直径的NTC? 正常来说,NTC的直径越大,功率也就越大,能通过的电流也就越大。 在电路正常工作时的电流小于NTC的稳态电流即可,如下面的两张图所示: 可以看得出,直径不一样,稳态电流就不一样。 (4)NTC其余参数的简介 ①残余电阻Residual Resistance,指NTC本体温度达到最大时,本体所具备的阻值(NTC不可能为0Ω),如下图表示的就是在175℃时NTC的残余电阻阻值: ②热时间常数Thermal Time Consant,指的是NTC高温之后恢复到25℃时所需要的时间。 这个指标很关键,说明了NTC还是存在一定的弊端,就拿这个热时间常数来讲,如果快速开关机的话,那NTC还处于发热状态,此时再开机,阻值较低,那NTC就不能很大的起到限流的作用了,所以一般这种时候可以并一个电阻或者并一个继电器来解决这个问题! ③最大允许使用容量值,这个值也就是指整流滤波电容的容值,一般的NTC规格书都会给出来(实际选型时的容量不要大于这个推荐值),如下: 其实根据下面的这个公式就可以知道,电解电容的容量越大,需要的充电能量也就越大,同理NTC的压力也就越大: E=1/2*C*Vbusmax² C是电容的容量 E是冲击电流的能量 其中Vbusmax为最高输入交流电Vacmax整流后的电压, ④耗散常数Thermal Dissipation Consant ,指NTC本体每通过13mw(具体看规格书,这里只是举例),本体温度就升高1℃,所以在实际使用时需要特别关注这个温升情况!
开关电源的PFC电路,PFC电路是校正功率因数的电路,开关电源属于容性负载,功率因数低,使电网供电效率低,当加上PFC电路后,功率因数可以达到98%,那么PFC是如何改变功率因数的呢。 我们先要知道在交流电设备中,有阻性负载,有容性负载,有感性负载。阻性负载的功率因数为1,因为它的电流和电压波形是同相位的 有容性负载如图电流是超前电压90度 感性负载感性负载电流滞后电压90度 感性负载如变压器,电动机,容性负载是整流后端有滤波电容的设备。容性负载和感性负载的功率因数低,电源供电效率低,容性负载和感性负载,大电流负载对电流畸变,产生干扰,对电网和自身都会产生干扰。所以对于容性负载,功率大于100W以上开关电源的容性负载,比如电脑电源,液晶电视电源等,需要增加功率因素矫正电路,只要改变负载特性接近于阻性,就可以使电流相位与电压相位相同。PFC功率因素矫正分为两种被动PFC在整流桥堆和滤波电容之间串联电感,利用电感上电流不能突变的特性来缓冲电容充电电流,改变电网线路电流波形的畸变,提高功率因数,缓解电磁干扰,但只能提高一点功率因数,效率低,适合小功率电源。主动PFC主动PFC则是利用电子元件进行斩波,改变容性负载电流波形的畸变,使电压和电流的相位相同,使其特性接近阻性负载,电压和电流同相位。电源是容性负载就是因为整流桥后端有一颗电容,对电容反复充电,造成的无功功率,改变电路结构,在电路中串联一个电路把电容隔开,实际上就是增加一个BOOST电路。在整流后串联一个BOOST电路,改变直接整流对电容的重放电,利用BOOST的开关把直流电变成高频脉冲直流电,在通过二极管整流电容滤波,得到一个稳定的直流电压,在供给后级开关电源。 PFC电路一般都是把直流300V的脉动电压升压到380V,这里有几个原因,一是减少损耗,减小电感体积,为了芯片的占空比稳定性,太低了,电压稳不住。PFC也是非常容易损坏的电路,其电压较高,容易击穿开关管和整流管,后级开关电源击穿损坏,也会因为PFC保护不及时,损坏开关管和整流管及电源芯片外围元件
开关电源中有上拉电阻和下拉电阻,还有一个特殊的电阻,ntc电阻。Ntc电阻是负温度系数电阻,温度越高,它的阻值越小。利用这个特性可以做成温度检测电阻和缓冲电阻等。开关电源中为什么用这个电阻呢,这就要知道开关电源内部整流桥后面接的滤波电容,在通电后,电流会对电容充电,瞬间充电电流特别大,接近短路电流,这对电容和整流二极管的瞬间抗浪涌电流承受较大应力,影响二极管和电容的寿命,还会对电网产生干扰。为了限制这种冲击电流,就要限制一下瞬间的充电电流,在整流桥输入一段串联一个普通的功率电阻可以限制这个充电电流,但是这颗电阻上会有功率损耗,这个阻值是一定的,当开关电源在满载工作时,这个电阻上会产生较大的损耗,这个损耗是根据负载大小变化的,显然减小了电源的效率。 所以就找到了ntc电阻,ntc电阻阻值随温度升高而减小,当有电流流过ntc电阻时,这个ntc电阻会发热,一有温度这阻值就马上下来了,这正好用在开关电源中,利用ntc这个特性就正好可以限制充电电流。根据型号可知5d-11,这里的5指的是25°时阻值是5欧姆,d是圆形,11是ntc的直径。工作原理是它的阻值是8欧姆,当上电的一瞬间,流过电阻,在电阻上产生压降会发热,当电阻一热,阻值就会下降,下降到1欧姆左右,电源启动,把电流缓慢冲进电容里,只要有电流流过NTC电阻,NTC电阻的阻值就不会变,断电后,当室温在25度时,阻值又恢复到8欧姆,NTC电阻在电源中还没遇到过自己单独损坏,进本都是因为整流桥短路,保险丝延时熔断,烧毁NTC电阻。 在NTC电阻上也会产生损耗,但是它的阻值比较低,电流比较小,可以忽略不计,在小功率电源中应用广泛,当电源功率大于100W,就需要加继电器,旁路ntc电阻。