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为什么要使用 DC-DC 转换器为容性负载供电?
  DC-DC 转换器输入端的电容在保持转换器稳定和输入 EMI 滤波方面起着至关重要的作用。DC-DC 转换器输出端的大量电容会给电力系统带来重大挑战。DC-DC 转换器下游的许多负载需要电容才能正常运行。这些负载可以是脉冲功率放大器或其他需要输入电容的转换器。如果负载上的电容超过直流电源系统的设计值,

  DC-DC 转换器输入端的电容在保持转换器稳定和输入 EMI 滤波方面起着至关重要的作用。DC-DC 转换器输出端的大量电容会给电力系统带来重大挑战。DC-DC 转换器下游的许多负载需要电容才能正常运行。这些负载可以是脉冲功率放大器或其他需要输入电容的转换器。如果负载上的电容超过直流电源系统的设计值,则电源系统在启动和正常运行期间可能会超过其最大额定电流。电容还可能导致电力系统稳定性问题,并导致系统操作不当和电力系统过早出现故障。

  可以在电源系统中实施一些简单的技术,以在为高容性负载供电时保持高效可靠的设计。减少启动时负载电容器两端的电压上升时间将使电力系统保持在其额定电流范围内,在运行期间控制进入电容器的充电电流将使电力系统保持在其额定功率范围内,调整系统的控制回路将保持电力系统稳定且在系统额定电压范围内。

  启动注意事项

  在启动时,典型的 DC-DC 转换器具有由内部误差放大器参考的上升设置的标准上升时间。放置在转换器输出端的放电电容器将表现为低阻抗负载。由于输出阻抗如此低,转换器的几个开关周期会导致电容器两端的电压变化足够高,从而迫使转换器超过其输出电流额定值。电容器可以通过转换器输出端的更高阻抗路径进行预充电。这种高阻抗元件将限制进入电容器的充电电流,直到电容器充电到预定的电压水平。一旦达到预定义的电压电平,高阻抗路径可以通过低阻抗器件(例如 FET)移除或短路。

  转换器可以通过这个较低阻抗的路径提供其全部额定电流。当 FET 使阻抗路径短路时,允许转换器的全电压为电容器充电。FET 的导通时间以及电容器与转换器电压之间的电压差将决定使电容器达到全电压所需的充电电流,因此将预定义的电压电平设置为 FET开启不会导致转换器超过其额定电流。图 1 中的框图可用于将电容器充电至预设的最小值。U2 控制使阻抗Z 短路的FET,U1 电路与U2 配合设置导通电压和负载使能。

为什么要使用 DC-DC 转换器为容性负载供电?

  图 1:电容器预充电框图

  在启动时,转换器将电容器视为负载,以及电容器之后的系统负载。如果系统负载在高阻抗预充电期间需要来自电容器的电流,则电容器可能无法达到预设的充电电压。DC-DC 转换器的许多下游负载都具有欠压锁定功能,在此情况下它们将需要很少的电流。如果负载没有高于预设充电电压的欠压锁定,则应使用外部使能。如果负载本质上是电阻性的,则可以使用串联开关在电容器充电后使电压能够加载到负载。图 2 显示了为 10mF 电容器充电的系统的电压和电流。

为什么要使用 DC-DC 转换器为容性负载供电?

  图 2:12V DC转换器为 10KµF 电容器充电

  一旦电容器充电,负载就可以开始从电容器和 DC-DC 转换器汲取电流。有些负载需要快速电流,如果需求超出转换器带宽,则电流将由电容器提供。一旦电容器提供电流,电容器两端的电压就会下降:

为什么要使用 DC-DC 转换器为容性负载供电?

  其中 Vdrop 是电容器两端的压降,I 是电流需求,C 是电容器值,dt 是电流消耗的持续时间。转换器会将电容器充电至其原始值,在此过程中,转换器可能会超过其额定电流。转换器和耗尽电容器之间的电压差除以两个电压之间的电阻将决定所需的再充电电流。两个电压之间的电阻通常非常低以减少系统损耗,因此所需的再充电电流可能高于转换器的最大值。因为电容器的电压接近转换器的设定点电压,超过转换器的最大电流也可能超过转换器的最大功率。

  为了防止转换器在正常工作期间超过其额定电流和功率,图 3 中的电流控制框图可用于控制高 di/dt 事件后的再充电电流。该电路监控分流电阻器上的电流,并通过主动降低转换器的电压来限制再充电电流。转换器和电容器之间的有限电压差将限制电容器再充电电流,以将转换器保持在其电流和功率限制内。随着电容器电压上升,转换器电压上升直至达到其设定点。

  图 3 中所示的限流方法可与图 1 中的预充电方法结合使用,从而实现更快的启动。预充电可以将电容器充电到转换器的最小调整电压,然后转换器可以以其满额定电流对电容器充满电。控制输出电压的上升速率将控制对电容器充电的电流。然而,大多数 DC-DC 转换器的控制或微调范围都较它们的标称设定电压窄。典型的调整范围是 +/-10%。有些制造商的微调范围更广,转换器可以微调至标称设定电压的 -90%。电压调整范围越低,对启用电路的需求就越低,因为下游负载通常具有接近其工作电压最小值的欠压锁定。

为什么要使用 DC-DC 转换器为容性负载供电?

  图 3:外部限流框图

  一旦转换器在启动和运行期间保持在其限制范围内,我们现在必须确保系统稳定性。DC-DC 转换器输出端的大电容器会降低系统的相位裕度并引起振荡。为确保转换器稳定,与电容器串联的阻抗必须最小。引线或走线阻抗、FET ESR 和电容器的 ESR 都会影响该阻抗。找到此阻抗最小值的最佳方法是使用网络分析仪并运行系统分析以确定相位和增益裕度。如果没有网络分析仪,可以对系统应用负载阶跃,分析转换器电压和电流波形,以确保没有过度振铃,这是稳定性差的迹象。

  一旦电压环路稳定,就可以检查图 3 中的电流控制环路对系统稳定性的贡献。该电流控制环路位于 DC-DC 转换器的控制环路内,其带宽应远低于系统环路交叉频率,因此两个环路不会相互作用。在动力传动系统补偿网络包含在转换器内的转换器系统中,转换器制造商可以提供足够的信息来为电流控制回路设置合适的交叉频率。有一些转换器制造商使设计人员能够调整动力传动系统控制回路以优化特定应用的性能。

  图 4 显示了一个带有外部控制回路的转换器。可以优化控制回路以提供峰值系统性能。这种外部控制回路在电力系统的响应时间对系统正常运行至关重要的应用中可能至关重要。在周期性脉冲负载应用中就是这种情况,其中转换器必须在下一个电源脉冲之前对电容器充电。应使用网络分析仪或阶跃负载测试来验证系统稳定性。不稳定的系统可能会出现超过电力系统组件额定值的电压偏移,并最终导致电力系统故障。

为什么要使用 DC-DC 转换器为容性负载供电?

  图 4:带有外部控制回路的转换器

时间:2021.12.01 来源:吉事励 阅读:4728
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