DCDC总结概括.doc

DC/DC变换器调研报告一原理简介开关电源是利用现代电力技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源的工作过程相当容易理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。与线性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压值。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。控制器的主要目的是保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很类似。也就是说控制器的功能块、电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调节器相同。他们的不同之处在于，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率管之前要经过一个电压/脉冲宽度转换单元。二DCDC现状分布式电源系统应用的普及推广以及电池供电移动式电子设备的飞速发展，其电源系统需用的DC/DC电源模块越来越多。对其性能要求越来越高。除去常规电性能指标以外，对其体积要求越来越小，也就是对其功率密度的要求越来越高，对转换效率要求也越来越高，也即发热越来越少。这样其平均无故障工作时间才越来越长，可靠性越来越好。因此如何开发设计出更高功率密度、更高转换效率、更低成本更高性能的DC/DC转换器始终是近二十年来电力电子技术工程师追求的目标。例如：二十年前Lucent公司开发出第一个半砖DC/DC时，其输出功率才30W，效率只有78%。而如今半砖的DC/DC输出功率已达到300W，转换效率高达93.5%。三. DCDC电源类型1.直流DC/DC转换器按输入与输出之间是否有电气隔离可以分为两类：一类是有隔离的称为隔离式DC/DC转换器；另一类是没有隔离的称为非隔离 式DC/DC转换器。隔离式DC/DC转换器也可以按有源功率器件的个数来分类。单管的DC/DC转换器有正激式（Forward）和反激式（Flyback）两种。双管DC/DC转换器 有双管正激式（DoubleTransistor Forward Converter），双管反激式（Double Transistr Flyback Converter）、推挽式（Push-Pull Converter） 和半桥式（Half-Bridge Converter）四种。四管DC/DC转换器就是全桥DC/DC转换器（Full-Bridge Converter）。非隔离式DC/DC转换器，按有源功率器件的个数，可以分为单管、双管和四管三类。单管DC/DC转换器共有六种，即降压式（Buck）DC/DC转换器 ，升压式（Boost）DC/DC转换器、升压降压式（Buck Boost）DC/DC转换器、Cuk DC/DC转换器、Zeta DC/DC转换器和SEPIC DC/DC转换器。在这六种 单管DC/DC转换器中，Buck和Boost式DC/DC转换器是基本的，Buck-Boost、Cuk、Zeta、SEPIC式DC/DC转换器是从中派生出来的。双管DC/DC转换 器有双管串接的升压式（Buck-Boost）DC/DC转换器。四管DC/DC转换器常用的是全桥DC/DC转换器（Full-Bridge Converter）。在功率开关管的电压和电流定额相同时，转换器的输出功率通常与所用开关管的数量成正比。所以开关管数越多，DC/DC转换器的输出功率越大，四管式比两管式输出功率大一倍，单管式输出功率只有四管式的1/4。2.按照开关管的开关条件，DC/DC转换器又可以分为硬开关（Hard Switching）和软开关（Soft Switching）两种。硬开关DC/DC转换器的开关器件 是在承受电压或流过电流的情况下，开通或关断电路的，因此在开通或关断过程中将会产生较大的交叠损耗，即所谓的开关损耗（Switching loss）。当转换器的工作状态一定时开关损耗也是一定的，而且开关频率越高，开关损耗越大，同时在开关过程中还会激起电路分布电感和寄生 电容的振荡，带来附加损耗，因此，硬开关DC/DC转换器的开关频率不能太高。软开关DC/DC转换器的开关管，在开通或关断过程中，或是加于 其上的电压为零，即零电压开关（ZVS），或是通过开关管的电流为零，即零电流开关（ZCS）。这种软开关方式可以显着地减小开关损耗，以及开关过程中激起的振荡，使开关频率可以大幅度提高，为转换器的小型化和模块化创造 了条件。功率场效应管（MOSFET）是应用较多的开关器件，它有较高的开关速度，但同时也有较大的寄生电容。它关断时，在外电压的作用下， 其寄生电容充满电，如果在其开通前不将这一部分电荷放掉，则将消耗于器件内部，这就是容性开通损耗。为了减小或消除这种损耗，功率场 效应管宜采用零电压开通方式（ZVS）。绝缘栅双极性晶体管（IGBT）是一种复合开关器件，关断时的电流拖 尾会导致较大的关断损耗，如果在关断前使流过它的电流降到零，则可以显着地降低开关损耗，因此IGBT宜采用零电流（ZCS）关断方式。IGBT在 零电压条件下关断，同样也能减小关断损耗，但是MOSFET在零电流条件下开通时，并不能减小容性开通损耗。谐振转换器（RC）、准谐振转换器（QRC）、多谐振转换器（MRC）、零电压开关PWM转换器（ZVS PWM Converter）、零电流开关PWM转换器（ZCS PWM Converter）、零电压转换（ZVT）PWM转换器和零电流转换（ZVT）PWM转换器等，均属于软开关直流转换器。电力电子开关器件和零开关转换器技术的发展，促使了高频开关电源的发展。三 DCDC发展趋势DC-DC变换器电路拓扑的主要发展趋势如下： 高频化：为缩小开关变换器的体积，提高其功率密度，并改善动态响应，小功率DC-DC变换器开关频率将由现在的200-500kHz提高到1MHz以上，但高频化又会产生新的问题，如：开关损耗以及无源元件的损耗增大，高频寄生参数以及高频EMI的问题等。 软开关：为提高效率采用各种软开关技术，包括无源无损(吸收网络)软开关技术，有源软开关技术，如：ZVS/ZCS谐振、准谐振、恒频零开关技术等，减小开关损耗以及开关应力，以实现高效率的高频化。如美国VICOR公司开发的DC-DC高频软开关变换器，48/600W输出，效率为90%，功率密度120W/in3，日本LAMBDA公司采用有源箝位ZVS-PWM正反激组合变换以及同步整流技术，可使DC-DC变换模块的效率达90%。 低压输出：例如现代微处理器的VRM电压将为1.1-1.8V，便携式电子设备的DC-DC变换器输出电压为1.2V，特点是负载变化大，多数情况下工作低于备用模式，长期轻载运行。要求DC-DC变换器具有如下特征：a)负载变化的整个范围内效率高。b)输出电压低(CMOS电路的损耗与电压的平方成正比，供电电压低，则电路损耗小)。c)功率密度高。这种模块采用集成芯片的封装形式。优异的电磁兼容性、低噪声： 通过以下技术能够改善电磁兼容性，正激型ZCS软开关技术、移相全桥软开关技术、LLC谐振软开关、低噪声驱动处理技术、电磁兼容加固技术。五DC-DC模块电源的市场构成1.铁路及轨道交通产业对于中国而言，地大物博，国土面积庞大的同时也有世界上最多人口。随着中国经济发展增速，它已经从最早单一的以公路运输为主，慢慢发展成公路、铁路、航空、海运为一体的环形运输体系。但是总体而言，中国的铁路运输网相对发达国家来讲还不健全，还有待进一步的完善。近几年来，中国高铁、城铁迅速发展，中国也有几十个城市已经在建地铁项目，再加上已有地铁城市的续建工程，中国铁路、轨道建设将进入一个黄金发展时期，对电源模块的需求量也将在未来的几年有一个大的突升。虽然需求量巨大，但是因为铁路建设及轨道建设的特殊性，中国铁道市场应用的铁路电源模块特点还是相对比较单一。主要是有以下特点：电压输入范围：DC60-160V （标称值DC110V）模块功率范围： 50-200W （一般不超过200W）输出电压：DC5V，12V，13.8V，15V等 （也有特殊需求看应用） 工作温度范围：-4085 度 （少数高温达100摄氏度）另外铁路及轨道用模块电源，在抗冲击震动，以及浪涌电流等方面，有着更高的要求一般机车载的设备供电电源模块的需求都是DC110V输入的，但是也有相关配套设施，如车站设备，或是轨道铁道上的设备。这些场合有可能提供的一次电源就是AC220V的交流电，也有可能是通信系统提供的DC48V，或是24V的直流系统。那么就有可能应用到AC220V输入、DC 300V输入、DC48V输入，DC24V输入的电源。 再简单介绍下此行业电源模块相关应用：一是车站及地面设备： 车站广播系统、车站PIS系统（乘客信息管理系统）、车站监控调度系统、地面记录仪、测速仪、射频应答器、客室控制系统、闭路电视系统、车站AFC系统（自动售检票系统，包括自动售票机、检票机、充值机、闸机等）、车站电力系统、电动扶梯、地铁屏蔽门等二是车载设备： 包括行车信息显示屏、车载LED广告机、车载广播系统、车载中央空调系统（制冷系统）、列车牵引系统（驱动控制器、马达）、电源管理系统、列车行业记录仪、列车应答设备、列车照明系统、机车自动门、讯号系统、列车制动系统，列车监控系统等目前，像VICOR、COSEL、LAMBDA模块电源品牌在铁路行业都推出有专门的适应铁路市场的DC110V输入的铁路电源。2.通信、通讯市场作为模块电源的一大市场，这个行业相对来讲是竞争比较激烈的一个行业。虽然如此，但是依旧档受不住这个大市场的诱惑。更随着中国国内3G网络铺建以及3G终端产品的普及，世界各大品牌包括中国国内的一些电源品牌都有针对通讯、通信类市场的产品。而这个行业虽然应用的电源相对杂乱，但是总结起来主要是分三大类。我们知道中国三大通信运营商，电信、移动、联通，他们机房提供的一次电源无非分作三类：AC220V，DC48V，DC24V。 AC输入这块需求主要基本上还是国内开关电源所占据，我们暂且不论了；而DC这块的需求，国内国外的品牌模块电源都有一定的市场份额，国外的如EMORSON、SYNQOR、POWER-ONE、COSEL、LAMBDA等模块电源，国内如新雷能、瑞谷、核达等电源品牌都有进入这个领域。 这个行业电源模块应用的特点相对来讲，应用的面更广，所涉及的应用也非常多，需求也是不尽相同。 拿DC模块需求来讲： 功率从几W到上千W的都有应用。像功率放大器，有可能要应用到600W的模块电源，甚至上千W，而像通讯转换器一些终端的交换设备，则可能用到几W到十几W的DC模块。有可能应用到DC模块电源的相关设备：直放站、基站、干线放大器、塔顶放大器、基站BBU（基带池）、RRU（远端射频单元）、光接入PON、综合接入MSAN，光端机、光纤收发器、协议转换器、路由交换设备、网络控制器、光纤配线架，通信机柜、微波传输设备、光电转换设备、卫星通信车、列车广播主机等。3.电力行业总体来讲，电力行业是电源需求总量应该是最大的，电力是国家传统的支柱行业，也是国家一直支持发展的，像国家智能能电网的改造，便给电源市场以及其他相关行业带来了需求的需求量。但是对DC-DC大功率模块来讲，这个行业却不是很好的选择。因为这个行业用的大多是AC-DC电源。但是话又说回来，电力与其他行业是紧密相连的，如通讯、国安等。所以说过电源，我们都必须把电力行业拿出来讲一讲的。从市场反馈及我们的行业经验来看，大功率DC-DC电源模块只能应用到电力相关的配套设备中去，而难于应用到其中的主流产品里面去。而DC-DC微功率、小功率模块却是电力市场的宠儿，像南瑞集团一个企业，光是DC-DC微功率隔离模块的采购额，每年就达到几千万人民币。如此可见，小功率模块在电力行业的的市场需求量也是不可小觑的。随着未来几年国家电网升级，智能电网改造的逐渐展开，电力市场电源需求只增无减六国内市场常见模块电源品牌简介VICOR 美国VICOR公司模块电路技术的核心是零电流开关，工艺上大量采用二次集成和定制器件，它使VICOR变换器工作频率超过1MHz，效率达90%以上，功率密度比普通变换器高10倍，可达每立方英寸120W。模块接通电源后把一个量子化的能量块从输入源输到一个由变压器初级线圈固有漏电感和电容元件构成的LC谐振电路。同时一个近似于半个正弦波的电流通过功率场效应管开关，电流为零时开关接通，经过半个正弦波后电流返回零时开关断开。VICOR模块采用这种零电流开关原理，减小了开关损耗，降低了传导和辐射噪声电平。为保证不同负载下系统的稳定性，VICOR模块采用变频技术跟踪负载电流的变化，以保证在任何情况下模块都工作在最佳状态下。 NEMIC-LAMBDA、POWER-ONE和ASTEC、TYCO 日本LAMBDA公司电源模块、美国POWER-ONE电源模块和ASTEC(雅达)属于PWM部分谐振零电压开关。在脉宽调制性恒频变换器线路的条件下，让功率场效应管在开通和关断的瞬间产生谐振，实现零电压开关，从而大大减小了开关损耗和辐射干扰，使工作频率提高到200-500kHz，效率提高至80%-90%。因为频率基本恒定且不太高，对器件的要求也不是很严格，线路不是很复杂，因此成本不是很高，相对全谐振型变换器而言，这种变换器价格较低，在计算机和通讯领域达到了较佳的性能价格比。 ERICSSON 瑞典ERICSSON电源模块主要是低压输入模块，功率从5-200W。这种模块的特点是主要采用了推挽和半桥式脉宽调制场效应管线路，工作频率达300kHz。驱动和控制采用了专利电路。工艺上采用DCB和线键合技术，大大降低了寄生参数，降低了纹波，改善了散热。 国产模块 主要的供应商有新雷能、迪赛、24所等。其中新雷能与迪赛源出一处，所以这两家的产品大致相同，大部分模块采用贴片和插件混装工艺，早期研发的模块大量采用铝电解电容，灌封胶自制，成本低，工艺和可靠性差。 华为模块电源华为模块电源主要应用于通信领域，如路由器、企业交换机、传送网、接入网ADSL/VDSL、无线BBU平台等，产品有标准模块、定制模块和POL系列。半导体集成、模块电源封装和电路拓扑的进步将模块电源带入了一个全新的领域，模块电源正一步步向器件级发展。随着模块电源集成化和一致性设计的推进，模块的应用也日趋标准化，应用电路越来越简单，选型也变得相对容易。各模块电源厂商已经开始进行器件和电路的整合来尽量降低成本，提高竞争力。 华为是国内最大的通信设备供应商，所生产的通信设备全部使用自己的模块电源，以往华为的模块电源基本都自己在使用，从不对外销售，随着华为电源模块产品的逐渐成熟，华为模块电源也即将对外销售，东为源将成为华为模块电源的特约经销商，协助华为迅速推广他们的电源模块及占领国内通信电源模块市场。七开关电源的选型电源的选择一般考虑七个因素，第一产品系列等级选择，第二产品功率选择，第三工作频率选择，第四温度范围选择及散热，第五封装选择，第六电源的指标选择，第七电源功能选择。1.电源产品系列、质量等级选择根据供电特性、负载特性、散热条件、安装方式等选择适合的系列产品。根据设备整机或型号的整体可靠性需求，结合电源的应用环境（振动、冲击、湿热、盐雾、气压等）和筛选试验条件，选择适宜的质量等级和制作工艺。2.产品输出功率选择考虑到电源的性价比及可靠性要求，对于一般应用，长时间工作条件下，电源输出功率为50%70%额定功率。注：特别注意负载在启动或工作过程中的瞬时功率。 3. 工作频率选择一般而言工作频率越高，输出纹波噪声就更小，电源动态响应也更好，但是对元器件特别是磁性材料的要求也越高，成本会有增加，所以国内模块电源产品开关频率多为在300kHz以下，甚至有的只有100kHz左右，这样就难以满足负载变条件下动态响应的要求，因此高要求场合应用要考虑采用高开关频率的产品。另外一方面当模块电源开关频率接近信号工作频率时容易引起差拍振荡，选用时也要考虑到这一点。4. 电源的工作温度范围选择及散热 电源工作时内部产生热量，使壳温上升。如何保证壳温在允许的范围内 并使其温升尽可能低，是提高电源可靠性的关键，电源壳温越低可靠性越高。用户应根据电源的热耗、热阻及目标环境温度选择合适温度等级的产品及相应的散热方式。电源散热方式可分为：自然散热：自然对流（适用散热面大、散热功率小的电源）辅助散热：贴壳散热、强制风冷、散热器散热等（适用于功率密度大、散热面小的产品；开放式高密度模块一般需要风冷散热）。工作环温范围：产品在正常运行时所允许的最高和最低环境温度范围。这个参数见于几乎所有的电源产品。 5. 外壳封装和安装方式选择在确定电源的功率、工作环境温度和可以采用的散热方式后就可以结合其它应用条件（如振动、湿度、气压等），选取合适外形封装的系列电源。为应对不同场合的应用需求，电源厂家同一系列产品一般有多种封装形式和安装方式。 6.电源指标选择 产品输出路数选择 当系统需求的工作电压总数大于3路时，为提升系统的灵活性、可靠性和成本优势，在体积空间等条件允许的情况下，首先考虑增加电源的数量，并尽量选用标准单路输出和标准对称双路输出的货架产品。定制电源研发成本高，研制、供货周期长，小批量供货时产品单价较高。必须选用多路输出集成的定制产品时，要综合考虑产品的研制、生产和供货周期及其可靠性设计。输出电压精度 通常，电源生产厂家所提供的输出电压精度指标一般为“初始精度”，即在环境温度为25、标称输入电压、额定负载功率条件下批量产品所能保证的输出电压精度。而实际输出精度还要受源效应、负载效应 负载效应、温度系数等的影响。启动延迟时间、输出建立时间 一般情况下，电源这两个指标对系统的设计不会有太大的影响。但对于有上电时序要求的应用系统或有热插拔需求的应用电路，就要特别关注，防止电源上电时序的错误而造成系统无法正常启动。负载能力（负载特性）电源额定输出电流一般指能保证产品正常工作（指标正常）条件下的最大输出电流。大容性或大感性负载的启动电流一般比正常工作电流要大，若电源的额定输出电流小于负载的启动电流，可能会导致电源无法正常启动。输出容性负载能力 由于一般电源都是电容作为储能、滤波及抗干扰手段。带输出短路保护功能的电源一般都有一定的容性负载能力。负载容性不应超过电源的最大容性负载能力，否则电源可能无法正常启动。输出纹波噪声峰峰值 开关电源在运行时会产生或传递差模和共模两种传导噪声。电源制造商在指标书中所给出的开关电源输出峰-峰值杂音电压（纹波-噪声），通常是指由纹波和高频开关噪声两个不同的分量所构成的差模噪声。第一部分由开关电源的基波开关频率和高次谐波分量所构成，由频率常在5 0 KHz至1 MHz之间的开关动作产生）。第二部分是频率范围在10MHz-50MHz之间的高频开关噪声，此噪声由开关器件的开关脉冲的上升沿和下降沿产生。7.电源的功能选择输出电压调节功能（TRIM） 通过改变TRIM管脚与输出正或负之间的电阻值，在有限的范围内改变电源输出电压值。若出现以下情况，可选择带输出电压调节功能的型号：电源模块的输出电压不符合应用电路的要求；需要对冗余备份二极管的压降进行电压补偿；输出引线压降过大。输出远端补偿功能（+S-S） 对于低压大功率电源模块，一般都设有+S和S端子。主要是用于补偿电源输出线上的电压降，保证用户在空满载使用电源时负载端的电压精度。输出短路保护功能 根据应用环境或系统需要决定是否采用带输出短路保护功能的电源。电源输出短路保护的方式大致分为：打嗝式保护：在输出短路时，电源的输出大部分时间处于关闭状态，每隔一段时间尝试启动。短路时平均功耗很低，模块可长时间工作在保护状态。短路状态撤除后，模块恢复正常输出。死锁保护：在短路时电源直接关闭输出，需重新上电开启。恒流保护输入欠压保护功能：有过压保护功能电源模块：带此功能的模块在启动时或工作过程中，若供电母线出现过压现象，直接关闭输出，待输入正常后，电源自动启动。无欠压保护电源模块：当输入电压低于指标书规定范围时，模块输出并不关断，但其输出电压可能会高于标称值。需要欠压保护：没有良好保护功能的可充电电池系统；电网或母线的状态不稳定，可能出现长时间的低电压的应用系统。用户宁愿承担系统中断风险（可控），也不愿承担输出低电压带来的损坏系统的风险和损失。不需要欠压保护：电网或母线比较稳定的应用系统；无论电网或母线如何不稳定，都不能中断输出的应用系统。用户宁愿承担输出低电压带来的损坏系统的风险（损失小）也不愿承担系统中断的风险和损失。输入过压保护功能 有过压保护功能电源模块：带此功能的模块在启动时或工作过程中，若供电母线出现过压现象，直接关闭输出，待输入正常后，电源自动启动。无欠压保护电源模块：当输入电压低于指标书规定范围时，模块输出并不关断，但其输出电压可能会高于标称值。需要过压保护： 电网或母线的状态不稳定，可能出现长时间的过电压的应用系统。不需要欠压保护：电网或母线比较稳定的应用系统；无论电网或母线如何不稳定，都不能中断输出的应用系统。