小功率DC/DC轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

更好的性能與更高的成本、更多的復(fù)雜性和更大的占位面積密切相關(guān)，這幾乎是電源設(shè)計的事實(shí)。小型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器用戶非?？粗胤庋b和性價比，那么RECOM 要如何滿足他們對小功率隔離 DC/DC 產(chǎn)品的要求呢?

推挽式拓?fù)鋸V泛用在隔離 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。這是一種能夠生成更高、更低或反相電壓的低成本方式，因?yàn)樽儔浩髟褦?shù)比決定了輸出電壓。此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單、效率合理且電磁輻射也相對較低。

圖 2：非穩(wěn)壓輸出的推挽式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器

圖 2 為非穩(wěn)壓輸出的推挽式隔離 DC/DC 轉(zhuǎn)換器框圖。為了節(jié)省空間，振蕩器和驅(qū)動晶體管可以組合在一個專用的推挽式變壓器驅(qū)動器 IC 之中。

對于穩(wěn)壓輸出，最簡單的方法是在次級側(cè)添加一個與 +Vout 線路串聯(lián)的線性穩(wěn)壓器，如圖 3 所示。這種方法可以達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，同時也適合用來設(shè)計極低功率的 DC/DC。以 RECOM RY/P 系列為例，此系列的線性穩(wěn)壓器提供短路保護(hù)和低噪聲的穩(wěn)壓輸出。

圖 3：穩(wěn)壓輸出的推挽式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器

這類型的設(shè)計可以實(shí)現(xiàn)大約 65-75% 的效率。功率大于 1W 或 2W 的時候?qū)⑿首畲蠡鞘滓蝿?wù)，設(shè)計需要進(jìn)一步的改進(jìn)，因此要從次級側(cè)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)為初級側(cè)調(diào)節(jié)。為了代替線性穩(wěn)壓器，輸出電壓是在次級側(cè)監(jiān)控，并與目標(biāo)電壓進(jìn)行比較生成電壓差，然后將其發(fā)送回初級側(cè)振蕩器控制器。這會調(diào)整開關(guān)頻率以將誤差歸零。

由于這是一個隔離設(shè)計，因此誤差信號也必須隔離。圖 4 為 RECOM 在額定功率 3W 以上的穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器使用了這種方法，可將效率提升至 85% 左右。

圖 4：次級側(cè)誤差信號向初級側(cè)控制器提供反饋

輸出功率更高的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器需要更復(fù)雜的方法處理。不僅線性穩(wěn)壓器以上述的方式浪費(fèi)功率，兩個次級側(cè)二極管也是損耗的原因。功率二極管的正向壓降通常為 0.5V，這意味著 1A 的功率損耗為0.5W。

解決方案是由兩個 FET 場效應(yīng)管和一個控制器組成的同步整流器來代替二極管和線性穩(wěn)壓器。

圖 5：無源整流(左)與同步整流(右)

圖 5 對比了這兩種方法。FET 在周期的正向部分開啟并在周期的反向部分關(guān)閉來充當(dāng)整流器。快速的開關(guān)加上約10mΩ 的極低導(dǎo)通電阻 RDS(ON) 使 FET 成為理想的整流器。缺點(diǎn)是它們必須有源驅(qū)動，因此需要額外的時序和驅(qū)動電路來檢測內(nèi)部電壓并正確地打開和關(guān)閉兩個 FET 以跟輸出波形同步。二極管是無源器件，不需要額外的電路即可運(yùn)作，但同步整流帶來的更高效率足以抵消為了追求高輸出電流轉(zhuǎn)換器而提高的成本復(fù)雜性。

圖 6：RP20采用多種設(shè)計技術(shù)提高效率

RECOM的 RP20 系列 20W DC/DC 轉(zhuǎn)換器使用同步整流器，效率高達(dá) 89%。該設(shè)計還包括前述的隔離誤差信號。最后，圖 6 的 RP20 可在很寬的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn) 85%-89% 的效率。

結(jié)論

從大功率電源設(shè)計思路借鑒在極小功率的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器上，以達(dá)到更高的效率。隨著客戶對功率水平要求的增加，我們就必須進(jìn)行適當(dāng)改變，從而改變需求的優(yōu)先順序。RECOM 是行業(yè)中提供成本優(yōu)勢和封裝尺寸最佳組合設(shè)計的引領(lǐng)者。

審核編輯：湯梓紅