單相Boost PFC - DSP控制

Reading Guide: DC-DC Converter:  Basis for SPS Design



808-PowerLab NCTU, Taiwan, Dec. 18, 2008.  


直流—直流轉換器:電源設計的基礎

DC-DC Converter: Basis for Switching Power Supply Design

鄒應嶼 教授 (Prof. Ying-Yu Tzou)

交通大學 電力電子系統與晶片實驗室

20081218


From Power Electronic System Design to Power IC Design!


前  言

  在一個電源轉換系統中,直流—直流轉換器(DC-DC Converter)是最基本的電源轉換模組,也是應用最廣泛的電源轉換模組。這裡所指的『直流—直流轉換器』是指最基本的三種單端接地非隔離式的降壓(buck)、升壓(boost)、與降升壓(buck-boost)轉換器。瞭解『直流—直流轉換器』的工作原理,乃至電路 分析與設計的細節,正是通往電源設計領域的入門大道。因此,無論是在校學生,或是準備從事電源領域工作的工程師,徹底瞭解直流—直流轉換器的各種相關理論與設計實務,就是學習電源設計最有效的方法。 

本文件簡略說明直流—直流轉換器的基本工作原理與一些基本的操作特性,目的在於說明直流—直流轉換器在開關電源設計領域所扮演的重要角色,詳細的設計方法與流程請參加本實驗室舉辦的『直流—直流轉換器設計』 產學培訓課程。


直流-直流轉換器的定義 

    任何一個電路雙埠(two-port)網路可將一個直流電壓源Vin或是一個直流電流源Iin,轉換為一個直流輸出,且符合 Vout > Vin 或是 Iout > Iin 條件之一,就是一個直流-直流轉換器。根據此一定義,線性穩壓器(linear regulator)不屬於直流-直流轉換器。

圖1. 直流-直流轉換器的定義 

REF: E. T. Moore and T. G. Wilson, “Basic considerations for dc to dc conversion networks,” IEEE Trans. Magn., vol. MAG-2, pp. 620–624, Sept. 1966.

基本直流-直流轉換器的本質 

     開關式電源轉換器有兩種基本的型式:開關電容(switching capacitor)與開關電感(switching inductor)。開關電容式電源轉換器以電容作為能量暫時儲存的元件;開關電感式電源轉換器則以電容作為能量暫時儲存的元件。一般所常用的電源轉換器多採用開關電感型式的電路架構。利用開關的切換以電感作為能量交換元件的『開關電感』轉換器,其電感所在的位置決定了此電源轉換器的基本特性。當電感置於後方的輸出端時,其功能有如低通濾波器,穩態時的輸出電壓永遠較輸入電壓為低,是一個降壓型轉換器。反之,當電感置於前方的輸入端時,電感為了保持其Volts-second的穩態平衡,電感兩端的跨壓會與輸入電壓相加呈現在輸出端,因此,穩態時的輸出電壓永遠較輸入電壓為高,是一個升壓型轉換器。

圖2. 基本直流-直流轉換器的本質 

單端接地非隔離式『直流-直流轉換器』 

     基本的單端接地非隔離式『直流-直流轉換器』有三種基本的型態,如圖中所示的降壓(buck)、升壓(boost)、與降升壓(buck-boost)轉換器。 這三個最基本的直流-直流轉換器,僅包括四個基本元件:一個主動開關(通常為MOSFET)、一個被動開關(switching diode)、一個電感、以及一個輸出電容。倘若增加元件的數目,則會衍生出許多其他型式的電源轉換電路,例如Cuk、SEPIC、Zeta等轉換器、或是半橋式、全橋式轉換器等等。倘若在增加變壓器,則可衍生出具有隔離功能的電源轉換電路,例如反馳式轉換器(flyback converter)、前向式轉換器(forward converter)、推挽式轉換器(push-pull converter)等等。

圖3. 單端接地非隔離式『直流-直流轉換器』 

[1] Power Designers: DC-DC Converter Basics, 1998.
[2] DC-DC Converter Tutorial, Maxim Integrated Products, Application Note A174, October 2000.

[3] Dennis L. Feucht, Power Converter Topologies: How to Choose the Right One for Your Design, 2002.

[4] SGS Thomson: Topologies for SPS
[5] Erickson: DC-DC Converters, Course Note.  

基本直流-直流轉換器中二極體的功能 

    一個電感中的電流不可瞬間改變,否則因為LDI/DT效應,會造成一個很大的電壓變化。因此,當開關斷路時,必須提供一個電感電流可以保持繼續流動的路徑,電路中的二極體即扮演此一角色。圖中開關箭頭標示著當開關閉合時電流流通的方向。

圖4. 基本直流-直流轉換器中二極體的功能 

REF: Texas Instruments (Unitrode): Understanding DC-DC Converters, March 1999.

 直流-直流轉換器的等效電路 

    開關式電源轉換器有兩種主要類別:硬開關式的PWM型式與軟開關式的諧振式(resonant)型式。這裡所討論的是硬開關式的PWM直流-直流轉換器,其開關頻率遠高於LC濾波器的諧振頻率。在一個開關週期的時間尺度,電感有如一個定電流源,電容有如一個定電壓源。因此,電源轉換器可以進一步簡化為右圖所示,開關電源有如一個電壓源與電流源之間的開關電路。

圖1. 直流-直流轉換器的等效電路 

REF: R. L. Steigerwald, "Power electronic converter technology," Proceedings of the IEEE, vol. 89, no. 6, pp. 890-897, June 2001.

直流-直流轉換器的兩個主要控制目標 

    直流-直流轉換器的兩個主要控制目標:一是改善效率,目標是提升效率,效率與諸多因素有關,主要是負載電流的函數;另一個是改善穩壓率,具體的來說就是改善其輸出阻抗 ,輸出阻抗是頻率的函數,控制迴路的目的就是要設法降低輸出阻抗 。影響一個電源系統效率與穩壓率的因素很多,例如:電路架構、元件特性、電路設計、PCB佈局等等。如何以最低的成本,改善電源系統的效率與穩壓率,是電源設計工程師經常面臨的挑戰。近年來,由於電源管理IC的進步,越來越複雜的電源監控保護功能,已成為電源管理IC的基本功能,其他如綠色模式、待機省電機能、電源管理通訊協定等等也成為選擇電源控制晶片的重要參考。因此,我們也可以說,未來電源系統效率與穩壓率的改善,主要決定於控制IC的設計。

圖6. 直流-直流轉換器的兩個主要控制目標 

REF: E. T. Moore and T. G. Wilson, “Basic considerations for dc to dc conversion networks,” IEEE Trans. Magn., vol. MAG-2, pp. 620–624, Sept. 1966.

降壓型直流-直流轉換器 

    降壓型直流-直流轉換器的一個基本特性,就是其LC濾波器與輸出端所連接的負載形成一個低通濾波 電路。所有的直流-直流轉換器基本上都是一個電源低通濾波電路。開關的功能在於產生高頻調變,並藉由責任比的控制達到轉換能量的比例控制,電感的功能主要在於儲存與傳遞能量,電容則負責最後階段的電壓濾波。當然,這僅是一種概括性的說法,其間會有些程度上的差異。本節說明一個降壓型直流-直流轉換器如何從濾波器的頻率響應,分析其直流成分與漣波成分的關連性。

圖7. 降壓型直流-直流轉換器 

降壓型直流-直流轉換器:工作原理與基本波形 

    降壓型直流-直流轉換器:工作原理與基本波形。

圖8. 降壓型直流-直流轉換器:工作原理與基本波形 

降壓型直流-直流轉換器:靜態特性曲線 

    一個開關式電源轉換器根據其電感電流是否連續可區分為連續導通模式(continuous conduction mode, CCM)與不連續導通模式(discontinuous conduction mode, DCM)。下圖所示是一個降壓型轉換器的靜態特性曲線(static characteristic curves),圖中分為兩個部分CCM與DCM,由圖中可以看出兩者有著相當大的差異,這顯示出一個開關式電源轉換器在不同工做模式時,會有著相當不同的特性,這也是開關式電源產生複雜行為的根源。

圖9. 降壓型直流-直流轉換器:靜態特性曲線 

REF: N. Mohan, T. M. Undeland, and W. P. Robbins, Power Electronics: Converters, Applications and Design, 3rd Edition, John Wiley & Sons, 2002.

降壓型直流-直流轉換器:工作區域 

    一個電源供應器主要目的在於提供穩定的輸出電壓,但是會面臨兩種主要的變化,一是負載電流變化;另一個是輸入電壓的變化。在開路狀況下,考慮負載電流與輸入電壓的變化,可以繪製出電源轉換器所面臨的工作區域變化範圍。藉由工作區域的分析,可以得到在穩態條件下,轉換器所需要的最低責任比控制範圍,以此為標準,可以推估在閉迴路控制所需要的責任比控制範圍。

圖10. 降壓型直流-直流轉換器:工作區域 

降壓型直流-直流轉換器:電感電流 

    圖中所示是降壓型直流-直流轉換器在不同工作點的電感電流波形,電感電流漣波的大小決定了負載電流的邊界條件。 設計一個開關電感轉換器,最重要的設計參數就是電感電流漣波與其平均電流的比值。

圖11. 降壓型直流-直流轉換器:在不同工作點的電感電流波形 

降壓型直流-直流轉換器:工作模式的改變 

    降壓型直流-直流轉換器:工作模式的改變。

圖12. 降壓型直流-直流轉換器:工作模式的改變 

不連續導通模式的閱讀地圖 

    不連續導通模式的閱讀地圖。

圖13. 不連續導通模式的閱讀地圖 

REF: Robert W. Erickson and Dragan Maksimovic, Chap. 5: The Discontinuous Conduction Mode of Fundamentals of Power Electronics, Kluwer Academic Publishers, 2nd Ed., February 2001.

降壓型直流-直流轉換器:效率分析 

    設計一個電源轉換器主要的困難來自於如何提升其效率,也就是如何降低損失。要降低損失必須先瞭解損失的來源,因此必須進行損失分析(loss analysis)。造成損失的因素很多,但結果只有一個,就是產生熱,因而造成溫度上升。在電路中代表損失的元件只有一種,就是電阻,更確切的說就是元件所形成等效電阻,要建立元件的等效電阻模型就是分析損失的關鍵。

圖14. 降壓型直流-直流轉換器:效率分析 

降壓型直流-直流轉換器:動態特性與回授控制 

    一個直流-直流轉換器主要由兩個部分組成:功率轉換電路與控制電路。控制電路必須實現所有的控制功能,例如啟動、穩壓、保護、驅動、感測等等功能。其中穩壓控制關係著所有相關功能的呈現,是控制電路最重要的功能,其主要目的就是藉由回授控制產生適當的責任比以實現所有的控制功能。設計一個直流-直流轉換器的控制迴路,必須先掌握轉換器的動態特性,本節說明直流-直流轉換器動態模型的建構方法。

圖15. 降壓型直流-直流轉換器:動態特性與回授控制 

[1] A. J. Forsyth and S. V. Mollov, "Modelling and control of DC-DC converters," IEEE Power Engineering Journal, vol. 12, no. 5, pp. 229-236, 1998.

[2] Chi Kong Tse, Complex Behavior of Switching Power Converters, CRC Press, 2004.

降壓型直流-直流轉換器:小信號模型化方法 

    一個直流-直流轉換器 本質上是一個非線性動態系統,在閉迴路控制下,若是控制不當,更是可能呈現難以捉摸的混沌現象。一個有效的設計方法,就是先瞭解設計規格,選取適當的元件,將轉換器的動態特性侷限在合理的範圍之內,藉此簡化控制器的設計。因此,以線性控制理論為基礎的設計方法,仍是目前開關電源迴路控制最常使用的設計方法。設計一個高頻寬的直流-直流轉換器 ,首要條件就是必須得到在特定工作點的頻率響應。本節說明如何建立一個直流-直流轉換器的小信號模型。

圖16. 降壓型直流-直流轉換器:小信號模型化方法 

 

[1] V. Vorperian, “Simplified Analysis of PWM Converters Using Model of PWM Switch Part I: Continuous Conduction Mode,” IEEE Trans. on Aero. and Electron. Sys., vol. 26, no. 3, pp. 490-496, May 1990.

[2] V. Vorperian, “Simplified Analysis of PWM Converters Using Model of PWM Switch Part II: Discontinuous Conduction Mode,” IEEE Trans. on Aero. and Electron. Sys., vol. 26, no. 3, pp. 497-505, May 1990. 

同步降壓型直流-直流轉換器:損失分析 

    同步降壓型直流-直流轉換器有上下兩顆功率晶體,這兩顆晶體的導通電阻可能不同,輸出電壓責任比也會隨著輸入電壓與書負載電流而變化,如何根據操作狀況選擇或設計適當的功率晶體是一個重要的設計議題。

圖17. 同步降壓型直流-直流轉換器:損失分析 

降壓型直流-直流轉換器:電容的選擇 

    一個直流-直流轉換器 只有四種主要主要元件:主動開關(通常為power MOSFET)、被動開關電容(switching diode)、電感、與電容。電容在一個電子電路中扮演著多種的角色,例如穩壓、濾波、旁路、解耦、儲能等等。如何選擇適當的電容?經常困擾著設計工程師,本節說明如何根據電路的需求選擇適當的電容。

圖18. 降壓型直流-直流轉換器:電容的選擇 

降壓型直流-直流轉換器:Power-ON 暫態響應 

    一個設計完成的直流-直流轉換器,其相關元件參數基本上是固定的,雖然元件會有製造誤差,例如電容的容許誤差±20%、電感的容許誤差±20%功率晶體的導通電阻誤差等等。但是這些元件誤差與負載變化相較,卻是微不足道的,一個電源系統負載變化的等效電阻所造成的變化可能高達5-20倍。負載電阻等同於負載所形成的阻泥因數(damping factor),負載愈大,相對的負載電阻愈小,功率消耗使系統容易趨向穩定;反之,負載愈小,相對的負載電阻愈大,阻泥愈小,系統愈容易趨向震盪。

圖19. 降壓型直流-直流轉換器:Power-ON 暫態響應 

降壓型直流-直流轉換器:開路控制下的步階負載變化暫態響應 

    一個直流-直流轉換器經常面臨劇烈的負載變化,觀察其暫態響應是瞭解其動態特性的一個方法。可以利用如圖中所示的座標系來顯現工作點變化時的暫態軌跡。 經由模擬或是量測一個直流-直流轉換器在開路與閉路控制狀況下的動態軌跡圖,可以瞭解其閉路控制所達到的改善效果。

圖20. 降壓型直流-直流轉換器:開路控制下的步階負載變化暫態響應 

結  語 

瞭解直流-直流轉換器的特性,是體驗開關式電源豐富內涵的開始,高功率密度開關穩壓IC (switching regulator)的實現更可以說是集合人類工程技藝的具體展現。小小一顆電源IC,卻包含著如此廣泛的理論知識與工程實務,這是當初踏入電力電子此一領域難以想像的,希望這種感想與熱請能與有志於電源系統與晶片設計者所分享。  


REFERENCES

       Introduction to Switching Power Supplies

  1. V. Ramanarayanan, Switched Mode Power Conversion, Indian Institute of Science, Course Note.

  2. N. Mohan, T. M. Undeland, and W. P. Robbins, Power Electronics: Converters, Applications and Design, 3rd Edition, John Wiley & Sons, 2002.

  3. Robert W. Erickson and Dragan Maksimovic, Fundamentals of Power Electronics, Kluwer Academic Publishers, 2nd Ed., February 2001.

  4. Abraham l. Pressman, Switching Power Supply Design, Second Ed., McGraw-Hill, Inc., 1998.

  5. Marty Brown, Power Supply Cookbook, Butterworth-Heinemann 1994.

  6. Keith Billings, Switchmode Power Supply Handbook, McGrwa-Hill Inc., 1999.

  7. George C. Chryssis, High-Frequency Switching Power Supplies, McGraw-Hill, Inc., 1989.

  8. Sanjaya Maniktala, Switching Power Supply Design & Optimization, McGraw-Hill Int., 2004.

  9. R. Lenk, Practical Design of Power Supply, IEEE PRESS, 1998.

  10. Marian K. Kazimierczuk and Dariusz Czarkowski, Resonant Power Converters, John Wiley & Sons, Inc., 1995.

  11. 原著:原田耕介, 譯者:陳連春, 交換式電源技術手冊, 第二章:交換式電源的基本電路, 建興出版社, 1993年10月.

  12. 張占松, 蔡宣三, 開關電源的原理與設計, Part 1:開關變換器的基本理論 (簡介), 1998. Power Designers: DC-DC Converter Basics, 1998. 

    Basic DC-DC Converter Topologies

  13. DC-DC Converter Tutorial, Maxim Integrated Products, Application Note A174, October 2000.

  14. Erickson: DC-DC Converters, Course Note.

  15. Texas Instruments (Unitrode): Understanding DC-DC Converters, March 1999.

  16. SGS Thomson: Topologies for SPS, Application Note. 

  17. Dennis L. Feucht, Power Converter Topologies: How to Choose the Right One for Your Design, 2002.

  18. R. L. Steigerwald, "Power electronic converter technology," Proceedings of the IEEE, vol. 89, no. 6, pp. 890-897, June 2001.

  19. N. Mohan, "Power electronics circuits: an overview," IEEE IECON Conf. Rec., vol. 3, pp. 525-527, 1988.

  20. R. D. Middlebrook and S. C'uk, "Advances in switched-mode power conversion part 1," Robotic Age, vol. 1, no. 1, pp. 6-19, Winter 1979.

  21. R. D. Middlebrook and S. C'uk "Advances in switched-mode power conversion part 2," Robotic Age, vol. 2, no. 2, pp. 28-41, Summer 1980.


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技術報告:TRSP-02直流—直流轉換器:電源設計的基礎

Last update: 2008/12/18