电容矩陈DC-DC升压技术
马东林
610045成都市 机投镇 潮福苑一期 3栋2单元12号
整体结构简介
一块AC-DC无PFC的容性电源成品电路板含有：容控芯片、二极管组、程序及硬件、π型滤波器、散件。
1.容控芯片：包括六个部分——辅助电源、输入接口、16个脉冲耦合器、16个驱动电路、16个功率开关、三态采样。辅助电源提供容控芯片及程序硬件的供电；输入接口完成对程序硬件的对接；脉冲耦合器将各路控制数据分别加载到各驱动电路；驱动电路完成对功率开关的驱动；16个功率开关分为4组，每组4个开关，每组有一个公共端共5个引脚，这样分配便于容控芯片在不同的产品中应用；三态采样从输出端获取模拟信号转换为数字信号输出给程序硬件。
2.二极管组：是由3只顺向串联的二极管构成的，共4个引脚，以便于容控芯片在不同的产品中应用时，可以灵活的安装在容控芯片的周围。个数及参数由具体的设计要求决定。
3.程序及硬件：将三态采样的反馈数据通过程序的设定计算，发出命令给容控芯片的输入接口。
4.π型滤波器：共有两个π型滤波器，功率电路的输出输入端各一个，分别完成对输入电源的隔离盒对输出电源的隔离。
5.散件：包括辅助电源的外接电容、变压器、整流二极管、滤波电容，功率开关的外接电容，这些散件的灵活安装便于容控芯片内部的结构设计。功率开关的外接电容的个数及参数由具体的设计要求决定。
工作过程
- AC输入经过整流滤波并加载到辅助电源变为低压直流电，由隔离变压器变换为5组输出分别供电，程序硬件、输入接口、三态采样为一组供电，4个驱动电路各一组供电。
- 三态采样将输出端的π型滤波器电压进行采样，并转换为数字信号送给程序计算。
- 程序根据采样的反馈数据，将计算出的控制数据加载到容控芯片的输入接口。
- 容控芯片内部经过脉冲耦合器、驱动电路后分别控制4组功率开关实现不同的开关脉宽。
- 功率开关的脉宽直接使功率电容的纹波电压值发生变化，从而使输出电压发生变化，形成闭合反馈。
- 容性电源的工作模式：恒压或恒流源、步进驱动器、储能矩阵，由程序控制原理以及二极管组和功率电容的不同组合共同决定；工作在功率放大器模式需要另一块简单的容控芯片，工作在信号发生器模式直接使用简单的容控芯片。简单的容控芯片内部仅有：三态采样、输入接口、16个开关二极管和三极管。
工作原理
控制原理：设一只电容C构成的 容性开关电源 稳态工作时，在电容充电脉宽 的后沿和前沿时刻，最高值和最低值分别为 和 (即电容上的纹波电压的最大值和最小值)；则容性电源的恒压源工作模式时，输出电压就是纹波电压的平均值，即U=( + )/2 ，调整脉宽要满足纹波电压的平均值不变；对于容性开关电源的恒流源工作模式，根据电容的电流公式 = ，只要维持电容的电压变化率 不变它的输出电流就不会变。
简单的说：用电容做成的开关电源，调整电容的平均电压就是调整输出电压值——恒压源模式，而调整电容的电压变化率(电压变化的快慢)就是调整输出电流值——恒流源模式。它们都是调整的脉宽，只不过满足的要求不同。
电能变换的原理：用多个电容实现不同的组合，使输入输出存在电压变比和电流变比，实现电能变换。
容性电源能达到的效果
- 可以不动硬件只改程序，实现输出功率改变；恒压源/恒流源转换；交/直流输出转换；交/直流输入转换。方便实现远程遥控升级或现场升级。
- 可以实现的电源种类：隔离、非隔离电源；交、直流稳压电源；逆变、UPS电源；恒压源、恒流源。
- 容性智能开关电源能实现纯电容的高压开关电源。
- 远程监控、过压过流保护无需另外加装检测电路，用程序运行的内部参数即可，这也便于不动硬件就可以修改开关电源的电压电流临界保护值。
- 设计时参数均可以预知和计算；并且由于程序的灵活性，新品研发周期短，见效快，测试成本低。
- 它在规模化生产时容易实现统一标准并集成化，除矩阵输入输出口的π型滤波器和散件外，其他元件都可以实现整体封装：程序硬件(如单片机)、容控芯片(即其内部图示的12个方框)、二极管组(3只二极管封装、4个引脚)。
- 主换能元件为电容，干扰小、无辐射、无需电磁屏蔽。
容性电源的效率
- 降压矩阵的效率： ，输出输入电压关系： 。
- 升压矩阵升压工作时矩阵的效率： ，输出输入电压关系： 。
- 升压矩阵可逆工作(降压)时的效率： ，输出输入电压关系： 。
效率 电容矩阵的行数 电容矩阵的列数 开关元件的平均压降 开关矩阵的输入电压 升压矩阵工作时一个周期内的开关对数，满足：
从以上3个效率公式看出，升压与降压的不同点：降压矩阵的效率与行数成反比，升压矩阵则与列数成反比。共同点：都与开关管压降成反比，与输入电压成正比。换句话讲：降压矩阵的效率与列数无关，升压矩阵的效率与行数无关，它们的效率均与输入输出电流无关。容易理解：因为电容的损耗电流很小。
例如：设管压降为1.5V，直流高压输入为280V，直流低压输入为48V。
- 用降压矩阵实现输出为48V时需要5行，效率为89%。
- 用升压矩阵降压实现输出为48V时，用2列矩阵需要5行，效率为87%。
- 用升压矩阵升压输出280V，输入为48V时2列矩阵需要7行，效率为84%。
电容量的计算。如均设输出电流为5A，工作频率为500KHZ，单体电容允许的最大纹波电压为2V，根据电容电流公式 ，以上使用的电容分别为：
- 设为2列，则降压矩阵需要0.25uF/63V的电容10只。
- 同样需要0.25uF/63V的电容10只。
- 高压输出5A则低压输入电流为29A，需要7.5uF/63V电容10只。
