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。