DCDC系统的三个组成分

主电路部分

又叫做功率模块,是整个DCDC的主体。一个典型的全桥型 DCDC 变换器主电路拓扑如下图所示。

DCDC系统的三个组成分

上图中,Vin为输入电压,需要通过DCDC回路,在输出端得到一个需要的输出电压。原边开关电路,将输入电流调制成矩形波,这个过程主要依靠控制器调制特定占空比的PWM波,用以驱动四个开关管按照既定的顺序和时间开闭,从而实现电流逆变过程。

原边输入电压可以通过占空比调节,占空比增加输出电压也增加,占空比减小输出电压减小。频率则可以通过调节开关频率调节。T1位变压器,变比你n。变压器既可以实现电气隔离,又可以起到电压调节的作用。

一个固定的原边线圈匝数,副边改变匝数,即可得到不同的电压等级。变压器的输入,是经过左侧全桥电路逆变得到的脉冲矩形波,传递到变压器的副边,得到的是另一个电压幅值的交流正弦波。经过DR1和DR2整流以后,再经由Cf和Rl滤波处理,得到直流电,提供给输出端。

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驱动模块部分

对于控制芯片输出的四路 PWM 驱动信号来说,并不能直接驱动四个功率开关管。所以,一般来说,开关电源是需要配套一个驱动电路来驱动功率开关管。驱动电路种类很多,主要由以下三种:

直接耦合型:

控制芯片的每一路输出 PWM 驱动信号经过由两个三极管组成的放大电路来驱动功率开关管。此种方法无法实现控制部分与主电路的隔离。

脉冲变压器耦合型驱动电路:

此电路是在直接耦合型的基础上加上了一个脉冲变压器,实现了控制电路与主电路的隔离。但是这种结构的缺点是,涉及到变压器的设计、制作等方面,比较复杂。

驱动芯片的驱动电路:

为了更加方便地来驱动功率开关管,很多公司研制出驱动芯片,驱动芯片可以输出较大的功率,驱动开关管,而且随着芯片的小型化发展,现在的驱动芯片体积非常小,有各种封装形式。利用驱动芯片对功率开关管驱动,这种方法比较简单,但是控制电路与主电路仍然没有实现隔离。

控制模块部分

主电路的反馈主要有三种控制模式:电压控制模式,峰值电流控制模式,平均电流控制模式。

电压控制模式:

属于电压反馈,利用输出电压进行校正,是单环反馈模式,输出电压采样与输入基准电压比较,得到的输出信号与一锯齿波电压比较,输出 PWM波信号。电压控制模式设计以和运用都比较简单,但是电压控制模式没有对输出电流进行控制,有一定的误差存在,并且输出电压先经过电感以及电容的滤波,使得动态响应比较差。

峰值电流控制模式:

峰值电流控制模式与电压控制模式的区别在于,峰值电流控制模式中,把电压控制模式的那一路锯齿波形,转换成了电感的瞬时电流与一个小锯齿波的叠加。但是电感的瞬时电流并不能表示平均电流的情况。

平均电流控制模式:

属于双环控制方式,电压环的输出信号作为基准电流与电感电流的反馈信号比较。设置误差放大器,可以平均化输入电流的一些高频分量,输出的经过平均化处理的电流,再与芯片产生的锯齿波进行比较,输出合适的 PWM 波形。

电感电流和电容电压因此需要对两个变量都要进行PID整定,一个典型的控制流程如下图所示。控制模块是由两个PID控制器组成,分别是电压控制控制外环和电流控制内环,在流程图中给出一个参考电压,设计合理的参数,就可以很快速的达到控制系统的目的。

DCDC系统的三个组成分

相比三种控制方式,平均电流的控制方式不限制占空比,对输出电压和电感电流均进行反馈,有比较好的控制效果。采用平均电流控制方式进行反馈电路的设计时,把电流环是看作电压环的一部分。


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