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提升直流穩(wěn)壓電路的效率并降低噪聲

發(fā)布時間:2023-09-20 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】在高效率非常重要的場合,開關(guān)穩(wěn)壓器是電壓調(diào)節(jié)的理想選擇。但是,開關(guān)穩(wěn)壓器仍然會消耗一些能量,而且開關(guān)噪聲可能是一個挑戰(zhàn)。利用 Analog Device 的直通特性,用戶可以實現(xiàn)效率的顯著提升和無噪聲運行。負(fù)載對電壓波動的承受能力越強,潛在效益越大。


向 24 V 直流 (DC) 電機提供輸入電壓的一種方法是將標(biāo)稱 24 V 電源連接到其端子,再扳動開關(guān)接通電源。電機將會運轉(zhuǎn)良好。但是,標(biāo)稱電壓電源的問題在于電壓會波動,例如,它可能上升到 38 V 或下降到 15 V。雖然這種電壓波動可能不會損壞像直流電機這樣相對穩(wěn)健的設(shè)備,但肯定會影響其性能。對于敏感的汽車、航空電子或電信應(yīng)用而言,情況就不同了。在這些及其他許多產(chǎn)品中,欠壓或過壓可能會造成永久性損壞。

如果輸入電源不符合直流電機的要求,還會帶來進(jìn)一步的挑戰(zhàn)。例如,常見的直流電源電壓是 48 V。如果將這種電源直接連接到 24 V 電機,后果會很嚴(yán)重。

直流穩(wěn)壓器提供了一種簡單的解決方案。顧名思義,該器件在變化的輸入(一定閾值內(nèi))下可保持精密調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓輸出。因此,即使輸入在 38 V 到 15 V 之間變化,穩(wěn)壓器也能提供穩(wěn)定的 24 V 輸出,上下波動幅度只有幾個百分點。穩(wěn)壓器也能輕松提供與輸入電壓不同的輸出電壓,因此我們可以安全地利用 48 V 電源為 24 V 電機供電。

電壓調(diào)節(jié)的功耗

電壓調(diào)節(jié)的商用方案有很多。最簡單的是低壓差 (LDO) 線性穩(wěn)壓器。LDO 易于導(dǎo)入設(shè)計中,所需的外部元器件很少;此外,LDO 相對便宜且結(jié)構(gòu)緊湊。一個明顯的缺點是,LDO 只能提供比輸入低的輸出。當(dāng) 24 V 電源降至其標(biāo)稱值以下時,LDO 就無能為力了。

LDO 的另一個潛在缺點是效率低下。LDO 本質(zhì)上使用電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)來調(diào)節(jié)電壓,因此輸入電壓和輸出電壓之差越大,內(nèi)部功耗越大,溫升越高。例如,如果使用 LDO 將 48 V 電源調(diào)節(jié)到 24 V,穩(wěn)壓器的工作效率將在 50% 左右。在人們盡可能節(jié)約能源的時代,這種“揮霍浪費”是不可接受的(圖 1)。


提升直流穩(wěn)壓電路的效率并降低噪聲
圖 1:LDO 的效率與輸出電壓和輸入電壓之比成正比。(圖片來源:Analog Devices)


LDO 的改進(jìn)方案

開關(guān)穩(wěn)壓器可提高電壓調(diào)節(jié)任務(wù)的效率。其工作原理十分復(fù)雜,但調(diào)節(jié)基本上是通過如下方式實現(xiàn)的:高頻開關(guān)晶體管對,以周期性地給一個或多個電感器充電,然后電感器將其能量耗散給負(fù)載,準(zhǔn)備好在下一個周期再次充電。與 LDO 不同,電壓調(diào)節(jié)不是使用電阻網(wǎng)絡(luò)對輸入電壓進(jìn)行分壓來實現(xiàn)的。它有效消除了與線性器件相關(guān)的大多數(shù)效率低下問題。

因此,如果使用現(xiàn)代開關(guān)穩(wěn)壓器從 48 V 輸入提供 24 V 輸出,我們可以合理地預(yù)期其效率會遠(yuǎn)高于 90%(在某些設(shè)計約束范圍內(nèi))。更妙的是,開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓可以高于(“升壓”)也可以低于(“降壓”)輸入電壓。許多器件可以在升壓和降壓這兩種模式之間無縫切換。因此,即使輸入電壓在較低和較高電壓之間擺動,穩(wěn)壓器也能有效地提供穩(wěn)定的 24 V 電壓,以使直流電機保持運轉(zhuǎn)(圖 2)。


提升直流穩(wěn)壓電路的效率并降低噪聲
圖 2:最簡單形式的開關(guān)降壓/升壓穩(wěn)壓器包括一個晶體管、兩個二極管、一個電感器和一個電容器。(圖片來源:Analog Devices)


開關(guān)穩(wěn)壓器也有一些缺點:復(fù)雜、昂貴,并且需要大量外部元器件;這些元器件不僅占用空間,而且需要相當(dāng)高超的設(shè)計技能來適當(dāng)?shù)剡x型。最大的挑戰(zhàn)或許來自高頻開關(guān)。這種開關(guān)不僅會產(chǎn)生電磁干擾 (EMI),而且會在輸出電壓上產(chǎn)生可辨別的紋波。這兩種影響都可以通過設(shè)計良好的濾波電路來緩解,但無法消除。

提升效率

開關(guān)穩(wěn)壓器雖然具有出色的效率,但并不完美。功耗的主要來源是晶體管導(dǎo)通時的直流損耗和狀態(tài)改變時的開關(guān)損耗。制造商在其產(chǎn)品中采用了一些巧妙的手段,以提高特定模式下的工作效率。例如,斷續(xù)導(dǎo)電模式 (DCM) 可防止穩(wěn)壓器的電感電流在低輸出電流下逆轉(zhuǎn)方向。這有助于提高輕負(fù)載時的效率。

當(dāng)今的開關(guān)穩(wěn)壓器即使在并不需要調(diào)節(jié)的時候也會進(jìn)行調(diào)節(jié),在此過程中能量被白白消耗。但是,有一個技巧到目前為止尚未得到充分利用??紤]使用標(biāo)稱 24 V 電源為 24 V 直流電機供電的例子。雖然電源電壓的變化幅度可能很大,但會有很多時候它是在 24 V,或者至少非常接近 24 V。在這些時候,我們可以停止調(diào)節(jié)電壓,從而消除傳導(dǎo)和開關(guān)損耗以及穩(wěn)壓器引起的其他功率損耗,以提高效率。

這一技術(shù)已由 Analog Devices 通過“直通”模式實現(xiàn)了商用。LT8210EFE 降壓-升壓穩(wěn)壓器等產(chǎn)品已整合這項技術(shù)(圖 3)。該穩(wěn)壓器具有兩對高壓側(cè)和低壓側(cè)晶體管,可將 2.8 V 至 100 V 輸入轉(zhuǎn)換為 1 V 至 100 V 輸出。


提升直流穩(wěn)壓電路的效率并降低噪聲
圖 3:在直通模式下,輸入電壓通過永久接通的高壓側(cè)晶體管流過 LT8210。效率非常高,而且不會產(chǎn)生噪聲。(圖片來源:Analog Devices)


在直通模式下,該器件的兩個高壓側(cè)開關(guān)永久導(dǎo)通,允許未經(jīng)調(diào)節(jié)的電壓直接流過器件,而兩個低壓側(cè)開關(guān)永久關(guān)斷。根據(jù)通過穩(wěn)壓器的電流和電壓,有可能實現(xiàn)接近 100% 的效率。更妙的是,直通模式下不會產(chǎn)生 EMI 或輸出電壓紋波。

保持低溫

LT8210 的直通區(qū)間可以通過設(shè)定高低調(diào)節(jié)閾值來設(shè)置。例如,用戶可能需要標(biāo)稱 12 V 輸出供負(fù)載使用,同時知道負(fù)載可以安全地承受 8 V 至 16 V 的未調(diào)節(jié)電壓。因此,用戶可為該范圍設(shè)置直通模式;當(dāng)電源電壓處于該范圍內(nèi)時,效率會非常高。若電源電壓低于 8 V,穩(wěn)壓器將開啟以將電壓提升至 8 V;若電源電壓高于 16 V,穩(wěn)壓器將開啟以將電壓降低至 16 V(圖 4)。


提升直流穩(wěn)壓電路的效率并降低噪聲
圖 4:LT8210 支持設(shè)置直通區(qū)間。調(diào)節(jié)僅發(fā)生在該區(qū)間之外。請注意在直通區(qū)間運行期間效率明顯提高。(圖片來源:Analog Devices)


Analog Devices 還提供了一款方便的演示板 DC2814A-C,其基于 LT8210。該演示板在 26 V 至 80 V 輸入下工作,提供 36 V 至 56 V 輸出,最大電流為 2 A。該板可用于展示直通模式對元器件溫度等參數(shù)的積極影響(圖 5,a 和 b)。


提升直流穩(wěn)壓電路的效率并降低噪聲
圖 5:圖 (a) 所示為 DC2814A-C 演示板將 60 V 輸入降至 56 V 輸出時的溫度曲線,負(fù)載電流為 2 A。圖 (b) 為該演示板在直通模式下工作時的溫度曲線,電源電壓為 45 V,負(fù)載電流為 2 A。(圖片來源:Analog Devices)


總結(jié)

在高效率非常重要的場合,開關(guān)穩(wěn)壓器是電壓調(diào)節(jié)的理想選擇。但是,開關(guān)穩(wěn)壓器仍然會消耗一些能量,而且開關(guān)噪聲可能是一個挑戰(zhàn)。利用 Analog Device 的直通特性,用戶可以實現(xiàn)效率的顯著提升和無噪聲運行。負(fù)載對電壓波動的承受能力越強,潛在效益越大。

(作者:Steven Keeping)


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