【技术专辑】使用其他电源转换拓扑导航增强转换器的漏洞

一个以前的文章中指出,升压转换器有短路负载条件下的脆弱性。本文探讨了MOSFET,负载开关,带内置保护的开关控制器和保险丝如何用于保护升压转换器免受灾难性故障的影响。本文讨论了与升压转换器相比不易受短路负载条件影响的备用电源转换拓扑。

 

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图1:升压转换器

 

使用替代电源转换器而不是升压

 

还有其他电源转换拓扑可以用来代替升压转换器来产生高于输入电压的输出电压。一些最常见的是反激式,SEPIC和降压升压转换器。这些转换器不易受到升压转换器的短路负载条件的影响。这些转换器是升压/降压转换器,这意味着它们可以产生高于或低于输入电压的输出电压。这种升压/降压功能增加了设计的灵活性,尽管使用这些拓扑结构的解决方案可能比简单的升压转换器效率更低或成本更高。驱动这些拓扑结构的许多DC-DC转换器控制器芯片具有电流模式控制功能,具有额外的短路保护功能。这些拓扑结构无法自行保护电路电路负载,但如果检测到短路负载,它们可以以阻止电流流动的方式关闭。一些DC-DC转换器控制器芯片可能包括短路保护,而其他可能需要额外的组件来实现这一点。所有这些拓扑结构都不如升压转换器易受攻击。设计人员需要决定其中一种拓扑是否适合特定设计的升压转换器。

 

反激式转换器 

 

反激式转换器是一种向上/向下的dc-dc-dc变流器。输入电压与输出电压之比为 【技术专辑】使用其他电源转换拓扑导航增强转换器的漏洞    。图2是反激式转换器的简化示意图。请注意,如果检测到短路,可以关闭原理图中的MOSFET以保护转换器。一些反激式控制器IC具有电流模式控制,可限制电感电流。这提供了额外的短路保护。通过用耦合电感代替电感,可以将升压转换器转换为反激式。 

 

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图2:反激式转换器的简化原理图

 

图3是同步反激式转换器的简化示意图。在同步转换器中,二极管由MOSFET代替以提高效率。 

 

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图3:同步反激转换器的简化原理图

 

反激拓扑的一些优点包括:

 

•短路保护。

 

•只需要一个MOSFET和一个二极管。

 

•比升压转换器更好的宽范围调节

 

•可以隔离。

 

•可以是一个廉价的解决方案

 

反激拓扑的一些缺点包括:

 

•需要耦合电感。

 

•由于变压器,MOSFET看到更高的电压尖峰

 

•可能需要一个缓冲电路来消除电压尖峰。

 

同步反激式控制器的例子是Microchip的MCP19115。MCP19915是一款集成微控制器的反激式和升压控制器。它可以做同步或非同步转换器。

 

非同步反激式控制器的一个例子是凌力尔特公司的LT3748。

 

SEPIC转换器

 

SEPIC转换器是一个反激式,在绕组之间放置一个隔直电容。输入和输出电压之间的比率为$ Vout / Vin = D /(1-D)。图4是反激式转换器的简化示意图。该原理图显示了使用耦合电感构建的SEPIC,以减少电路板空间。如果检测到短路,可以关闭原理图中的MOSFET以保护转换器。隔直电容还增加了短路保护。一些SEPIC控制器IC具有电流模式控制,可限制电感电流。这提供了额外的短路保护。通过添加隔直电容,使用耦合电感或2个独立的电感,可将升压转换器更换为SEPIC转换器。

 

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图4: SEPIC转换器的简化原理图

 

SEPIC的一些优点是:

 

•升压/降压转换器。

 

•只需要一个MOSFET和一个二极管。

 

•短路保护。

 

缺点:

 

•需要第二个电感器或耦合电感器。

 

•更复杂的电路稳定。

 

•直流阻断帽需要额定承载所有负载电流。

 

虽然任何升压控制器芯片都可以驱动SEPIC控制器,但是用于构建SEPIC转换器的开关控制器的一个很好的例子是Microchip的MCP1630。

 

降压 - 升压转换器

 

降压升压转换器实际上是一个降压转换器,结合升压转换器,使用单个电感器。输出电压和输入电压之间的比率为$ Vout / Vin = D /(1-D)。如果检测到短路负载,可以关闭MOSFET。许多降压 - 升压转换器具有电流模式控制,可限制电感电流,从而提供额外的短路保护。该电路使用四个开关。它使用两个MOSFET和两个二极管,或采用四个MOSFET的高效版本。该转换器的成本高于其他转换器,因为它需要专门的转换器控制器,这些控制器不像降压,升压,反激或SEPIC转换器那么常见。这四个开关也增加了成本。

 

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图5:非同步

 

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图 6:同步降压提升

 

降压 - 升压拓扑的一些优点包括:

 

•短路保护

 

•升压/降压,

 

•没有耦合电感。

 

•一些转换器在降压和升压模式之间切换以提高效率。

 

•适用于广泛的投入。

 

•可以实现为同步转换器以提高效率。

 

降压 - 升压拓扑的一些缺点包括:

 

•需要4个开关。

 

•控制器IC不像反激式,升压型,SEPIC控制器那样常见,而且成本更高。

 

•每个开关都是有损元件,会降低效率。

 

非同步降压 - 升压控制器的一个很好的例子是Texas Instrument的LM5118。它具有电流模式控制,可以限制逐周期电感电流。这增加了额外的短路保护水平。同步降压 - 升压控制器的一个很好的例子是凌力尔特公司的LT8490控制器。 

 

结论

 

本文讨论了当设计人员担心短路负载条件时,反激式,SEPIC和降压 - 升压转换器拓扑如何成为升压转换器的合适替代品。除了不易受短路负载影响外,这些功率转换拓扑结构还具有升压/降压转换器的灵活性。可通过对升压转换器进行简单修改来构建反激式和SEPIC转换器,而降压 - 升压转换器则需要两个额外的开关和一个特殊的开关稳压器。

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发布日期:2019年03月04日  所属分类:参考设计