如何破解您的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器

「黑客」通常是運用某些聰明而高超的技巧，以實現(xiàn)原本并沒有打算達到的目的。然而對于DC/DC轉(zhuǎn)換器這樣基本的模塊，該如何去破解呢？

本文將以隔離式柵極驅(qū)動器電源為例，展示四種可能的DC/DC 轉(zhuǎn)換器“破解技巧”，以拓展更多的應(yīng)用。這些技巧是以RECOM 的RxxPxx 系列轉(zhuǎn)換器為基礎(chǔ)，該模塊具有6.4kVDC 基本隔離、工業(yè)工作溫度范圍和低隔離電容，因此特別適合為高壓隔離式柵極驅(qū)動器的電路供電。

重要提醒：如在電子器件的標稱規(guī)格操作范圍之外使用，質(zhì)量保證將失效。如果您決定執(zhí)行以下任何一種解決方案，請?zhí)崆奥?lián)系制造商并征得他們的同意。

假設(shè)您有一個SiC 晶體管應(yīng)用需要大約+15V 的正柵極驅(qū)動電壓和大約-4V 的負柵極關(guān)斷電壓才能以最低的開關(guān)損耗達到最佳性能（圖1）。

您查看制造商的規(guī)格書之后，發(fā)現(xiàn)具有這種特殊非對稱輸出電壓組合的隔離DC/DC 轉(zhuǎn)換器的標準產(chǎn)品并不存在。接下來您可以做些什么？

圖1：隔離式SiC 晶體管柵極驅(qū)動器電路的簡化示意圖

技巧#1：使用不符合規(guī)格的輸入電壓

在滿載時低功率非穩(wěn)壓DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸出/輸入電壓變化率通常為Vin 的1.2%/1%。換句話說，如果輸入電壓高于或低于標稱值10%，輸出電壓將提高或降低12% 左右，因此任何輸入電壓的變化都會被放大。電壓比隨著負載降低呈線性提高，因此在50% 負載下大約是Vin 的1.1%/1%，而在最小負載下則差不多一樣(1%/1%)。為了比較不同制造商的規(guī)格書，電子業(yè)已將非穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器的線性穩(wěn)壓規(guī)范標準化，使電源電壓的標準化變化不超過±10%。但如果輸入電壓設(shè)置在此范圍之外會怎樣？



答案是轉(zhuǎn)換器仍可以工作，但不再保證性能會符合規(guī)格書中的數(shù)值。如果輸入電壓過低或過高，輸出電壓也會過低或過高也就是超出標稱范圍，但這在某些情況下可能很有用。下圖（圖2）和測試結(jié)果（表1）顯示了使用RECOM R-REF01-HB 評估板以1MHz PWM 開關(guān)信號驅(qū)動SiC MOSFET 時測得的電路電壓：

圖2：R12P22005D DC/DC 轉(zhuǎn)換器供電給有源SiC 晶體管柵極驅(qū)動器，轉(zhuǎn)換器的規(guī)格為隔離+20/-5V 輸出、標稱12V 輸入(左)和10.8V 電源(右)，結(jié)果均在實際60% 負載下測得。

表1：60% 負載下測量2W 非對稱隔離式DC/DC 轉(zhuǎn)換器(R12P22005D)的電源電壓，分別為標稱12V、標稱-10% 和超過標稱-20%

從這個技巧中可以看到將輸入電壓設(shè)定在標稱值的-20% (9.6V)會得出所需的非標準輸出電壓，即使輸入電壓超出了規(guī)格書中的數(shù)值。

這個技巧可以用到什么程度？我們一起來看看：

表2：60% 負載下測量2W 非對稱隔離式DC/DC 轉(zhuǎn)換器(R12P22005D)的標稱和超標的欠壓電源電壓（線性調(diào)節(jié)≈Vin 的1.1%/1%）

另一個方向：

表3：60% 負載下測量2W 非對稱隔離式DC/DC 轉(zhuǎn)換器(R12P22005D)的標稱和超標電源電壓（線性調(diào)節(jié)≈Vin 的1.1%/1%）

我們可以看到即使輸入電壓遠遠超出規(guī)格書中±10% 限制，轉(zhuǎn)換器也不會突然停止工作。

警告：在規(guī)定的輸入電壓范圍之外運行轉(zhuǎn)換器會增加內(nèi)部元器件應(yīng)力，因此可能無法呈現(xiàn)規(guī)格書所列的數(shù)值，例如效率、輸出紋波和工作溫度范圍。如果輸入電壓非常低，此時增加輸入電流可能會導(dǎo)致初級側(cè)組件過熱。如果輸入電壓過高，可能會超過內(nèi)部電容器和晶體管的電壓額定值。這兩種超標情況都可能使輸出電壓隨著環(huán)境溫度或負載的變化而明顯浮動，因此請謹慎使用此技巧！

為了更可靠地解決產(chǎn)生非標準+15V/-4V不對稱輸出電壓組合的問題，我們需要使用部分調(diào)節(jié)的電路：

技巧2：只調(diào)節(jié)其中一個輸出。

使用非對稱輸出DC/DC 轉(zhuǎn)換器的時候（例如+15/-9V 標稱輸出的RxxP21509D），如果一個輸出電壓正確，另一個就可以輕松地進行后調(diào)節(jié)至所需的輸出電壓。以我們的隔離式柵極驅(qū)動器電源為例，負軌輸出電流低于正軌電流因此可以使用齊納二極管和通用NPN型雙極晶體管穩(wěn)壓器來解決（圖3）。

圖3：負軌穩(wěn)壓解決方案

該解決方案的優(yōu)勢是DC/DC 轉(zhuǎn)換器是在規(guī)格書的范圍之內(nèi)，因此性能和質(zhì)量保證均不受影響，不降額即可在-40°C 至+85°C 的工業(yè)環(huán)境溫度范圍內(nèi)正常運作。

此外，負軌現(xiàn)在已進行調(diào)節(jié)、保持固定且不受負載或輸入電壓變化的影響，可以選擇不同的齊納二極管電壓來設(shè)置在范圍內(nèi)所需的電壓。如果正軌比負軌更重要則可以使用相同的技巧來調(diào)節(jié)正軌（請見技巧#3）。

這個方式的缺點是調(diào)節(jié)后的軌電流會受到晶體管功耗的限制。在這個例子中，NPN 型晶體管需要下降大約5V，這將限制它的最大平均負載電流為-100mA（注意：柵極峰值充電/放電電流由輸出電容器提供，因此只須考慮平均漏極電流）。

如果需要更大的輸出電流而不引起過度熱損耗，堆疊轉(zhuǎn)換器將是更好的解決方法：

技巧#3：堆疊轉(zhuǎn)換器

柵極驅(qū)動器的平均功率取決于柵極驅(qū)動電壓擺幅、晶體管的柵極電荷和開關(guān)頻率。平均功率可以通過以下等式計算：

因此舉例來說，以較高的開關(guān)頻率或驅(qū)動并聯(lián)柵極來增加輸出電流時需要更高的柵極驅(qū)動功率。由于示例中的柵極驅(qū)動電壓是不對稱的(+15V/-4V)，因此Vgate正擺幅需要比負擺幅更高的功率。當功率的消耗超出單個隔離DC/DC 轉(zhuǎn)換器所能負荷的時候可以使用兩個不同的堆疊轉(zhuǎn)換器來加以解決（圖4）。以下技巧在2W提供+16V、0.7W提供-5V：

圖4：堆疊式DC/DC 轉(zhuǎn)換器

R12P209D 雙輸出DC/DC 轉(zhuǎn)換器在公共引腳斷開的情況下使用，產(chǎn)生非穩(wěn)壓的18V/222mA 電源。然后通過齊納和NPN型晶體管的組合調(diào)節(jié)至+16V VDD 。由于NPN 有兩倍的電流且只需將兩端的電壓降低一半，晶體管的功耗與技巧#2的大致相同。

再者，柵極驅(qū)動器的非隔離初級側(cè)的5V 線性穩(wěn)壓器已被低成本R-78E 開關(guān)穩(wěn)壓器模塊所取代，能以高達500mA 的電流提供5V 電壓。這為柵極驅(qū)動器初級側(cè)和提供隔離-5V 輸出軌的R05P05S DC/DC 轉(zhuǎn)換器供電，這意味著12V 電源電壓的任何變化現(xiàn)在都在負軌中調(diào)節(jié)。使用調(diào)節(jié)過的電源供電給非穩(wěn)壓DC/DC 轉(zhuǎn)換器可提高整體系統(tǒng)性能，同時也是下一個技巧概念的基礎(chǔ)：使用級聯(lián)轉(zhuǎn)換器。

技巧#4：級聯(lián)轉(zhuǎn)換器

正如我們從技巧#1 中看到的，非穩(wěn)壓DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸出電壓可以通過調(diào)節(jié)輸入電壓來加以「調(diào)整」。如果需要可調(diào)的非對稱隔離柵極驅(qū)動器電壓，添加一個低成本、非隔離和前置穩(wěn)壓的DC/DC 模塊可以建立一個柵極驅(qū)動器電路且可以設(shè)在很寬的柵極電壓范圍之內(nèi)。此技巧可運用在測試和檢查哪種正負驅(qū)動電壓組合可提供最高性能和最低損耗。之后可以安裝固定電壓微調(diào)電阻器來設(shè)定最有效的輸出電壓組合：

圖5：可調(diào)的非對稱輸出隔離柵極驅(qū)動器電源

RPX-1.0 是一種特別有用的低成本SMD DC/DC 模塊，因為它提供了非常寬的輸出電壓調(diào)節(jié)范圍(0.8 – 30V)以及出色的1A 連續(xù)輸出驅(qū)動電流?？梢允褂脙蓚€電阻器預(yù)設(shè)輸出電壓，或者如本技巧所示的使用微調(diào)電阻器。

與所有的技巧一樣，在超出預(yù)期用途的情況下使用任何產(chǎn)品時請小心謹慎，即使 “如果一個蠢方法有效，那它就不是一個蠢方法” 的格言是對的。

如有任何疑問，請聯(lián)系RECOM 技術(shù)支持。我們可以測試解決方案并就您的特定應(yīng)用的適用性提出建議。在批量生產(chǎn)方面我們可以改造標準轉(zhuǎn)換器以提供任何所需的輸入和輸出電壓組合，因此您的半定制解決方案可以享有完整的質(zhì)量保證。