DC/DC 知识手册

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RECOM 的《DC/DC 知识手册》详细介绍了各种 DC/DC 转换器拓扑结构、反馈回路(模拟和数字)、测试与计量、保护、滤波、安全、可靠性、恒流驱动器以及 DC/DC 应用。 全书偏技术,适合工程师、设计人员和学生阅读。

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多年精心编写

当 25 年前我们推出第一台 DC/DC 转换器时,市面上鲜有可以参照的相关技术资料和国际标准。 这迫使我们和用户不断交流实际应用的信息,促使我们在我们首次出版的产品目录中附上一些简单的应用说明。 随着我们经验的不断积累,这些指导性的内容也在不断增多。 虽然有些不够完整,但全部是以用户的反馈信息为依据,迄今为止,在我们网站上已经积累了一份 70 页的应用说明供您下载。

这些年来,半导体技术的发展以及数字电子元件的高度集成化趋势使得模拟技术逐渐淡出了许多设计实验室、高校和技术学院。 我们经常会发现自己缺乏模拟电路方面的知识,尤其是在面对所应用的技术、测试测量技术以及理解滤波和噪声抑制时。 因此,作为该领域的专业人士,我们觉得一本全面的技术手册是有必要的,它可以为硬件设计人员、学生或者其他需要这些信息的人提供参考。

关于作者

Steve Roberts 是 RECOM 的技术总监,在解答客户问题、帮助设计导入、研讨会演讲、撰写文章甚至在制作 YouTube 视频方面积累了多年的经验。

任何 AC/DC 或者 DC/DC 转换器模块的功能都要满足一个或者多个以下要求:
  • 匹配次级侧负载和初级侧电源
  • 在初级侧和和次级电路之间提供隔离
  • 提供针对故障、短路或过热等的保护
  • 简化安全、性能或 EMC 法规方面的合规性

《DC/DC 知识手册》:第 1 章

功率调节概述

功率调节概述

图 1.1: 3- 引脚线性稳压器框图及引脚分配

现代 AC/DC 和 DC/DC 转换器通过有效的电源转换,为许多电子仪器、设备和系统提供受控制的、安全的高度稳压直流电源。 几年前,变压器、整流器和线性稳压器还是电源转换领域的主流技术。但是就如同 LED 逐渐代替普通灯泡,DC-DC 转换器逐渐将线性稳压器挤出市场,初级端开关控制逐渐取代了主流的 50Hz 变压器。

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目录一览
  • 1.1 线性稳压器
  • 1.2 开关稳压器

《DC/DC 知识手册》:第 2 章

反馈回路

反馈回路

图 2.9:次谐波不稳定波形

DC/DC 电源转换设计中,一些重要的设计标准都是反馈补偿方面涉及到的计算和方法论。 如反馈回路变量计算不准确,转换器就可能不稳定和稳压失败。 反馈回路在 DC/DC 转换器中的功能是保持输出电压的稳定,且该值仅由一个参考电压值决定的,即输出电压与负载、输入电压和环境变化无关。

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  • 2.1 概述
  • 2.2 开环设计
  • 2.3 闭环设计
  • 2.4 反馈回路补偿
  • 2.5 斜坡补偿
  • 2.6 在模拟和数字反馈系统中分析回路稳定性

《DC/DC 知识手册》:第 3 章

如何理解规格书上的各项参数

如何理解规格书上的各项参数

图 3.1:测量设置

每个负责的制造商都会为自己的产品提供一份规格书,至少详细介绍基本运行参数、总体尺寸和引脚连接。但是两个 DC-DC 转换器的比较并非简单的数字比较,通常需要理解各个参数的含义。

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  • 3.1 测量方法 – DC 特性
  • 3.2 测量方法 – AC 特性
  • 3.3 理解热学参数

《DC/DC 知识手册》:第 4 章

DC/DC 转换器的保护

DC/DC 转换器的保护

图 4.2: 串联二极管的反极性保护

如前所述,DC-DC 转换器的功能之一是保护应用。 最简单的保护包括使负载与电源匹配、当输入过压或欠压时保持输出电压稳定,但 DC-DC 转换器也是防止系统故障的重要组件。 例如,输出过载限制和短路保护的作用不仅仅是关断转换器。

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  • 4.1 概述
  • 4.2 反极性保护
  • 4.3 输入保险丝
  • 4.4 输出过压保护
  • 4.5 输入过压保护
  • 4.6 电压骤降和中断
  • 4.7 涌流限制
  • 4.8 负载限制
  • 4.9 欠压锁定

《DC/DC 知识手册》:第 5 章

输入输出滤波

输入输出滤波

图 5.1:DC/DC 转换器产生干扰的原理图

由于输出电容会随着来自内部振荡器的能量脉冲进行充放电,使得所有 DC/DC 转换器都有输出纹波电压。 基于不同的拓扑结构,这种输出纹波的频率可能等于振荡频率或者两倍于后者,一般在100-200 kHz 范围内。 叠加这种纹波之上的则是开关电压尖峰,且频率非常高,一般在 MHz 范围内。

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  • 5.1 概述
  • 5.2 反射纹波电流
  • 5.3 输出滤波
  • 5.4 完全滤波

《DC/DC 知识手册》:第 6 章

安全

安全

图 6.4:间隙和爬电

各种安全标准和规范的最主要目的是避免伤害和伤亡或或财产损害,潜在危险级别按以类型定义:电击、危险能量、火与烟、人身伤害、辐射和化学危险。 这里“危险”和“灾害”经常互换使用。

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  • 6.1 电击
  • 6.2 危险能量
  • 6.3 固有安全
  • 6.4 本质安全
  • 6.5 伤害危险
  • 6.6 安全设计
  • 6.7 医疗安全

《DC/DC 知识手册》:第 7 章

可靠性

可靠性

等式 7.1:故障率计算

几乎从电子设备出现开始,人们就一直关心这些设备能正常工作多长时间。 由于没有人可以精确地预测未来,便采用统计法预测元件、组件或者装置的可靠性。

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  • 7.1 可靠性预测
  • 7.2 环境压力因素
  • 7.3 使用 MTBF 数据
  • 7.4 验证过的 MTBF
  • 7.5 MTBF 和温度
  • 7.6 可靠性设计
  • 7.7 PCB 布局可靠性注意事项
  • 7.8 电容器可靠性
  • 7.9 半导体器件可靠性
  • 7.10 ESD
  • 7.11 电感器

《DC/DC 知识手册》:第 8 章

LED 特性

LED 特性

图 8.4:LED 灯串

战争的第一法则就是“了解你的敌人”。 对固态照明 (SSL) 而言也是一样的道理——如果您不了解 LED 工作原理,就不必在应用无法正常工作时感到吃惊。 LED 是非线性器件。 LED 在低电压下不能导通。

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  • 8.1 恒流驱动 LED
  • 8.2 一些直流恒流源
  • 8.3 将 LED 连接成灯串
  • 8.4 并联 LED 灯串
  • 8.5 平衡并联灯串中的 LED 电流
  • 8.6 哪个更好——并联灯串还是网格阵列?
  • 8.7 LED 调光
  • 8.8 热降额
  • 8.9 温度降额
  • 8.10 斜率补偿
  • 8.11 一些使用 RCD 驱动器的电路创意

《DC/DC 知识手册》:第 9 章

DC/DC 应用创意

DC/DC 应用创意

图 9.5:电池电量监视器中使用的级联转换器

许多应用都要求 DC/DC 转换。 根据预测,到 2020 年 DC-DC 转换器市场将突破 350 亿美元。 但对很多电路设计者来说,DC/DC 转换器是一个“黒盒”;一个能够像电感或三极管一样实现某种特定功能的元件。

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  • 9.1 概述
  • 9.2 极性转换
  • 9.3 功率倍增器
  • 9.4 组合使用开关稳压器和 DC/DC 转换器
  • 9.5 连接转换器
  • 9.6 提高隔离
  • 9.7 5 V 电源轨噪声清除
  • 9.8 使用 CTRL 引脚
  • 9.9 使用 引脚

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