空間決定了 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的不同設(shè)計(jì)

Würth Elektronik 的 Timur Uludag 建議，有限的空間需要在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到熱性能的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。具有多種電子應(yīng)用和軌道電壓的典型工業(yè)環(huán)境的一個(gè)示例是倉(cāng)庫(kù)。

工業(yè)倉(cāng)庫(kù)可以容納帶有許多傳感器、執(zhí)行器和控制單元的復(fù)雜輸送系統(tǒng)。這些應(yīng)用中的每一個(gè)在電源電壓、電流和安裝量方面都有自己的要求。例如，帶有微控制器單元和圖像傳感器的監(jiān)控?cái)z像機(jī)需要 3.3V 的電壓和安培范圍內(nèi)的電流。攝像機(jī)安裝在不同的位置，這些位置通常不直接連接到直流母線并且安裝空間非常有限。工業(yè)級(jí)電感傳感器通常直接連接到直流總線。

下一步是評(píng)估 DC-DC 電源模塊開關(guān)行為的基礎(chǔ)知識(shí)，以應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

切換行為

電池供電的設(shè)備并不總是在滿載條件下運(yùn)行。例如，測(cè)量應(yīng)用程序顯示測(cè)量期間的電流需求較高，而測(cè)量實(shí)例之間的電流需求較低。這兩種負(fù)載情況很常見(jiàn)。在輕負(fù)載下，應(yīng)用程序在空閑或待機(jī)模式下工作，從而降低能耗。在重負(fù)載下，應(yīng)用程序在標(biāo)稱條件下工作，這會(huì)導(dǎo)致標(biāo)稱能耗。電源管理系統(tǒng)必須足夠靈活，才能在每種負(fù)載情況下提供最佳性能和效率。大多數(shù)工業(yè)電源都存在強(qiáng)制 PWM 模式。對(duì)于這種類型的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這是令人滿意的，因?yàn)殡娫丛谄浯蟛糠止ぷ鲏勖卸荚谥刎?fù)載條件下工作。然而，諸如傳感器之類的應(yīng)用具有不同的負(fù)載情況。在這里，輕負(fù)載是主要的運(yùn)行條件。因此，必須修改開關(guān)行為以在這種負(fù)載情況下以最佳方式執(zhí)行。隨著負(fù)載電流的降低，脈沖頻率調(diào)制 (PFM) 模式可提供更高的效率值。這支持電池供電設(shè)備中電池的更長(zhǎng)使用壽命。

在 PFM 模式下工作時(shí)，電感電流會(huì)突發(fā)開關(guān)。在每次突發(fā)期間，負(fù)載和輸出電容器都被提供能量。在空閑時(shí)間（兩次突發(fā)動(dòng)作之間的時(shí)間）期間，高端和低端開關(guān)均關(guān)閉。這使得輸出電容器自己提供負(fù)載電流。兩個(gè)突發(fā)動(dòng)作之間的能量消耗急劇下降，直到反饋系統(tǒng)觸發(fā)下一個(gè)突發(fā)動(dòng)作。反過(guò)來(lái)，由于開關(guān)損耗更少，PFM 模式下的效率明顯高于傳統(tǒng) PWM 模式。空閑時(shí)間與負(fù)載電流成反比，即負(fù)載電流越大，突發(fā)動(dòng)作之間的時(shí)間越短。當(dāng)空閑時(shí)間接近零時(shí)，模塊從 PFM 切換回 PWM 模式，在默認(rèn)開關(guān)頻率 4MHz 下返回恒定開關(guān)行為。PFM 模式下的峰值電感電流高于 PWM 模式下，允許在固定時(shí)間段內(nèi)向負(fù)載提供相同數(shù)量的能量，同時(shí)降低轉(zhuǎn)換器內(nèi)產(chǎn)生的損耗。在突發(fā)模式的空閑時(shí)間內(nèi)，與 PWM 模式相比，模塊不會(huì)產(chǎn)生任何損耗。

如果輸出電壓高于某個(gè)值，則兩個(gè)開關(guān)都保持關(guān)閉。輸出電容器是負(fù)載的唯一電源，這意味著輸出電壓會(huì)隨著時(shí)間的推移而降低。當(dāng)輸出電壓下降到一定水平時(shí)，下一個(gè)突發(fā)周期開始。紋波的結(jié)果值取決于控制器 IC 內(nèi)部設(shè)置的閾值。PFM 模式下的輸出電壓紋波可以通過(guò)簡(jiǎn)單地增加輸出電容來(lái)降低。