從直流對直流轉換器看被動元件發展方向

 

刊登日期:2019/10/5
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直流對直流轉換器被廣泛的應用在各種電子產品當中,隨著電子產品的日新月異,直流對直流轉換器在設計上也逐漸朝向大功率與微型化的方面發展。而直流對直流轉換器在面積、效能和輸出漣波都與被動元件特性選擇相關,因此隨著電子產品對電源供應電路的需求,直接帶動了被動元件的技術研發朝向微型化、降低等效串聯電阻(ESR)與等效串聯電感(ESL)、耐高電壓高電流的方向發展。隨著被動元件特性不斷的提升,相信在不久的將來,直流對直流轉換器電路可以整合並應用在微型化的電子產品中,帶動更多微型化電子產品的創新。

本文將從以下大綱,介紹直流對直流轉換器與被動元件的技術發展。
‧前言
‧直流對直流轉換器演進
‧直流對直流轉換器架構原理與相關被動元件介紹
 1. 直流對直流轉換器簡介
 2. 降壓型電源轉換器介紹
 3. 直流對直流轉換器被動元件簡介
  (1) 直流對直流轉換器輸出電容選擇
  (2) 直流對直流轉換器輸出電感選擇
‧結論
 
【內文精選】
直流對直流轉換器演進
在功率半導體元件及電力電子等相關技術產生之前,若要將小功率的直流電轉換成較高電壓的直流電,一般會用振盪電路先轉換為交流,再用升壓變壓器進行升壓,最後再使用整流器轉換為直流。若是較大功率的直流電壓轉換,則會用電動機驅動發電機。上述兩種皆為比較沒有效率的做法,生產成本也較貴。隨著功率半導體及積體電路的出現,透過使用一些新式電路使成本開始下降,是一般應用可以負荷的價格。這些新式電路包括將直流電轉換為高頻的交流電,配合一個較小、較低也較便宜的變壓器來轉換交流電壓,再透過整流器轉換成直流。1976年時汽車收音機開始使用電晶體,不需要高電壓。而使用電晶體的電源供應器,大幅降低電源端的生產成本。隨著半導體技術的進步,如今直流對直流轉換器(DC-DC Converter)模組主要可以整合為幾個關鍵的元件組成,分別使用電源控制IC、功率電晶體、電感、電阻與電容所組成。透過被動元件技術的提升,直流對直流轉換器的發展也逐漸朝向低成本與微型化方向進行。
 
直流對直流轉換器架構原理與相關被動元件介紹
2. 降壓型電源轉換器介紹
圖二為降壓型電源轉換器電壓電流變化,其中TON為在一個週期時間T中打開(On)的時間,TOFF為一個週期時間T中關閉(Off)的時間。最上部分為工作週期(Duty Cycle, D)分配圖,其中工作週期D與打開時間TON和關閉時間TOFF的關係如下式(1):
 
圖二 降壓型電源轉換器電壓電流變化
圖二、降壓型電源轉換器電壓電流變化
 
透過工作週期的調整,在電感電流不會降到零的情況,稱之為連續模式(Continuous Conduction Mode; CCM),在連續模式下輸出電壓為輸入電壓對打開時間的積分除以整個週期的時間,如圖二中間部分,輸入輸出電壓關係如下式(2):
 
舉個例子,如果要透過降壓式轉換器將12 V的輸入電壓降壓到3 V(輸入電壓的四分之一),在理想電路下,其工作週期為25%。
 
3. 直流對直流轉換器被動元件簡介
直流對直流轉換器所使用到的被動元件為電阻、電容、電感,在直流對直流轉換器設計上,電容與電感的選擇直接影響到電路的效能品質。以下將介紹直流對直流轉換器電容與電感的選擇。
(2) 直流對直流轉換器輸出電感選擇
在切換式電源轉換器中,流動的電流在輸出電感上產生磁場並將能量儲存於電感上。因此,電感的功能是試圖保持恆定電流和限制電流流動的變化率。除了電感感值,其他要考慮的重要因素包括:選擇電感的最大直流電流或峰值電流和最大工作頻率。電感的額定直流電流在使用時是很重要的,確保電感不會過熱或飽和,也確保電感操作於其最大頻率等級下使其鐵芯的損耗不超標而造成過熱或過飽和。圖三展示了電源發展與電感關係圖,隨著所需的輸出電流越大就需要較大的電感值,而當操作頻率越高,可以有效降低電感值的使用。
 
圖三、電源發展與電感關係圖
圖三、電源發展與電感關係圖
 
①電感的計算:電感的計算可以透過式(5)來表示。其中L為電感值;VIN為輸入電壓;VOUT為輸出電壓;FSW為操作頻率;IOUT為輸出電流;r為輸出電流波紋比(適當之初期值為0.3~0.4),如式(6);ΔIL為電感波紋電流,計算如式(7)所示…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
作者:楊承瑋/工研院資通所
★本文節錄自「工業材料雜誌」394期,更多資料請見下方附檔。

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