在開關電源中使用多路輸出變換器可以降低成本,提高效率。介紹了多路輸出DC/DC變換器的分類,并結合幾種典型的拓撲結構討論了變換器多路輸出的實現方法和每一種電路的優缺點。指出了變換器多路輸出技術的實質和新發展
多路輸出變換器的分類
1)交叉調節式
變換器對一路或少數幾路輸出電壓做到精確調節,而其他各路的輸出電壓的調節精度都較低。
2)精確調節式
變換器對全部各路輸出電壓都做到精確調節。
帶有變壓隔離器的DC/DC變換器,其輸出與輸入由變壓器隔離,可以通過增加變壓器副邊繞組數目的辦法來實現多路輸出。通常是利用正激型或反激型DC/DC變換器,增加變壓器副邊繞組數目便可實現多路輸出。
DC/DC變換器的多路輸出技術電路圖
1、多副邊繞組式
多副邊繞組式是最簡單的、應用最早的一種多路輸出技術。選擇一路輸出作為主輸出,對其進行閉環負反饋控制,使其達到穩壓精度的要求。而其他各路只經整流、濾波輸出,穩壓精度和紋波等技術指標都較低。
2、耦合電感式
耦合電感式多路輸出DC/DC變換器的原理圖如圖1所示。圖中只畫出了兩路輸出。其輸出電壓Uo2除由變壓器調節外,還受兩個耦合電感L1和L2的調節。輸出電壓Uo1由PWM來控制開關管的關斷和導通,以期達到Uo1的穩壓精度的要求。由變換器本身引起的Uo1的變化,同樣也引起Uo2的變化。對Uo1調節效果,通過變壓器和耦合電感器反映到對Uo2的調節效果。這種調節方式,對主輸出以外的各路輸出電壓的穩定性具有一定的改善作用,尤其是各輔助輸出的動態響應速度大大提高。但是,變壓器和耦合電感器的漏電感與繞組電阻會使各路輔助輸出存在較大的交叉調節誤差。這就要求各輔助輸出的輸出電壓不能太低,否則交叉調節誤差的絕對影響太大。圖1中,U。:通過PWM能得到較高的穩壓精度,但由于M=1,N=2,不滿足M≥N的條件,所以U。:無法得到精確調節。
3、電壓加權反饋式
電壓加權反饋式多路輸出DC/DC變換器的原理圖如圖2所示。圖中僅畫出了兩路輸出。該電路對變換器的各路輸出進行電壓加權反饋控制,使各路的輸出電壓得到一定的調節。通過迭代的方法找出適宜的加權系數,使各路輸出電壓在設計所限定的范圍內變化。如果找不到滿意的加權系數,就得降低設計要求,重新選定加權系數。
加權反饋式的主要優點是每路俞出的穩壓精度都會有所改善,電路的結構也比較簡單,輔助輸出電壓不像耦合電感式那樣輸出太低,而是可以做到輸出電壓在5V左右。但是,由于反饋控制信號是每路輸出的加權和,所以,所有各路輸出都做不到準確調節,它只能通過改變加權系數來改變輸出誤差在各路輸出的分配,而不能消除誤差。在圖2中,由于M=l,N=2,不滿足M≥N的條件,所以每路輸出均無法得到精確調節。
4、同步整流式
同步整流式多路輸出DC/DC變換器的原理圖如圖3所示。各路結構相同,圖中僅畫出了第i路。其中Vi1為主開關管,Vi2和Vi3為同步整流開關管,T為有i個副邊繞組的變壓隔離器,Lil為去耦電感,,LioCio為輸出濾波器。Vil的控制信號ugVil對輸入電壓Vcc實施斬波控制,Vi2與Vi1同步,即兩個開關管同時導通或關斷。Vi3受PWM反饋控制。
圖4是圖3電路的開關管控制信號的時序圖。從圖中可以看出,在Vil和Vi2同時導通的時段內,有一個時段與Vi3導通相重合,這個重合時段為變換器的死區時間Di。因為在死區時間內,電流iLil通過副邊繞組Nis、去耦電感Li1、開關管Vi3和Vi2形成環路,不能將能量傳輸到負載。因此,改變死區時間Di便可改變第i路的輸出電壓值。
由于每路輸出是獨立控制的,不存在交叉問題,所以每路輸出均可得到精確調節。輸出電壓可以做得很低,最低可達1V左右。主開關管Vil受變壓器T的原邊繞組的前饋信號控制,所以對于輸入電壓的變化,變換器能夠有較快的動態響應。該電路的輸人和輸出之間是隔離的,并且不存在反饋回路,所以其可靠性較高。該電路M=N+1,所以實現每路輸出都精確穩壓。但是,由于每路輸出是獨立控制,所以當路數較多時,電路的成本較高。同步整流技術的采用、設計控制電路、降低死區損耗,均使得該電路的設計要求更加嚴格。這限制了同步整流式多路輸出DC/DC變換器在普通開關穩壓電源中的應用。
5、磁放大器式
從20世紀80年代起,高頻磁性材料的研發和生產有了飛速的發展,在多路輸出高頻開關穩壓電源中,出現了利用高頻可控飽和電感,即磁放大器來調節其中一路的輸出。磁放大器式多路輸出DC/DC變換器的原理圖如圖5所示。圖中,Uo1為主路輸出,用PWM來進行反饋調節。Uo2為輔助輸出,用磁放大器進行反饋調節。磁放大器由控制器和飽和電感LT組成,LT的一端接到變壓器副邊繞組N2,另一端接整流二極管V4,再經L2C2組成的濾波器給負載提供能量。如果LT的磁滯回線具有良好的矩形特性(如圖6所示),要求LT用具有較高剩余磁感應強度Br的磁性材料來制作。這樣,可將LT視為一個“可控磁開關”。當磁心的工作點沿B-H回線增磁時,“磁開關”相當于開路;當磁心進入飽和狀態時,“磁開關”相當于短路。控制器由誤差放大器和復位電路組成,誤差放大器取樣輸出電壓Uo2的變化,控制“磁開關”LT,而復位電路產生的復位信號崩米便進入飽和的LT復位。這樣以來,便可精確調節Uo2。
磁放大器式的優點是電路比較簡單,可以做到精確調節輸出電壓。一般用于中電流場合,如幾安培到幾十安培。但是由于“磁開關”L-r具有非線性特性,控制反饋電路的設計難度較大。在圖5所示的電路中,M=2,N=2,可以實現每路輸出的精確控制。
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