便攜式VCDDCDC變換器

1、便攜式VCD/CD DC-DC變換器原理剖析作 者：葛中海摘 要：本文討論了低壓DC-DC變換器，升、降壓變換器的模型及實(shí)例電路，提出優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)的方法關(guān)鍵詞：DC-DC變換器 降壓變換器 升壓變換器 占空比近兩年來VCD向小型化，輕量化、超薄型迅猛發(fā)展，于是便攜式VCD&MP3&CD三合一產(chǎn)品如雨后春筍應(yīng)運(yùn)而生，特別是珠江三角洲地區(qū)，生產(chǎn)此類產(chǎn)品的企業(yè)有幾十家之多。不管它采用哪一家的方案，唯獨(dú)其電源變換部分幾乎一樣，部分進(jìn)口便攜式CD機(jī)也采用此電路，所以它有相當(dāng)?shù)耐ㄓ眯浴４蠹抑浪^便攜式產(chǎn)品，一方面可以用電池（干電池或充電電池）工作，另一方面，因?yàn)樗哂型饨与娫唇涌?，可以連

2、接外部電源適配器。于是，對(duì)機(jī)器而言無論電源（電池或適配器）電壓高或是低，系統(tǒng)都應(yīng)該能正常工作，這就是為什么便攜式VCD/CD必須有DC-DC變換電路的原因所在。便攜式VCD/CD內(nèi)部有兩套DC-DC變換電路：一套供給伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部分，這部分變換的電壓不要求很穩(wěn)定，但要求伺服盡可能省電；另一套供給除伺服系統(tǒng)以外其它集成電路使用，這部分的電壓有控制電路穩(wěn)壓，所以要求電壓一定要穩(wěn)定。一、降壓型DC-DC變換器1降壓型DC-DC變換器模型為了便于講解第一套的DC-DC變換電路，先介紹一下降壓型DC-DC變換器的等效模型，如圖（1）所示。圖（1） 降壓型DC-DC變換器等效模型開關(guān)S導(dǎo)通時(shí)加在電感兩端

3、的電壓為，這期間電感由電壓勵(lì)磁、電感存儲(chǔ)能量，磁通量增加量為：（1）開關(guān)S斷開時(shí)，由于電感電流連續(xù)，二極管為導(dǎo)通狀態(tài)。輸出電壓與開關(guān)導(dǎo)通時(shí)方向相反加到電感上，這期間電感消磁、電感釋放能量，磁通量減少量為：（2）穩(wěn)態(tài)時(shí)，電感磁通量增加量與減少量相等，即 ，聯(lián)立（1）、（2）式可得：，其中是占空比，顯然這種結(jié)構(gòu)形式的DC-DC變換器輸出的電壓只會(huì)小于或等于輸入的電壓，所以稱之為降壓型變換器。2降壓型DC-DC變換器的實(shí)例降壓型DC-DC變換器實(shí)例電路如圖（2）所示。降壓型DC-DC變換器沒有穩(wěn)壓控制，其中Servo-PWM是電源管理集成電路的驅(qū)動(dòng)輸出，它的脈沖寬度由主軸、滑動(dòng)、尋跡、聚焦四組輸出電

4、壓控制，哪一組輸出電壓高(表示負(fù)載重)就取樣該組電壓，與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓比較、控制輸出PWM脈沖。Vcc接電池正極（外接電源適配器經(jīng)1N4001也連接該網(wǎng)絡(luò)）。 當(dāng)Servo-PWM=0時(shí)S8550飽和導(dǎo)通，肖特基二極管D1反偏截止，電感勵(lì)磁、儲(chǔ)能；當(dāng)Servo-PWM=1時(shí)VT1截止，肖特基二極管D1正偏導(dǎo)通，電感續(xù)流釋放能量，Servo-Vcc輸入到電源管理集成電路內(nèi)部，供電給四組（主軸、滑動(dòng)、尋跡、聚焦）H橋形驅(qū)動(dòng)電路。PWM周期一般在60KHz120KHz，大小可由電源管理集成電路的第腳外接不同電容而改變，比如接330PF大約95KHz。實(shí)際上Servo-PWM在集成電路內(nèi)部上接PNP三極

5、管集電極、下接NPN型三極管的集電極，且三極管的發(fā)射極通過一個(gè)幾十歐姆的電阻到“地”，如圖（3），為什么如此設(shè)計(jì)？圖（3） Servo-PWM在集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu) 因?yàn)楣こ淘O(shè)計(jì)時(shí)為了提高三極管VT1的開關(guān)效率（伺服起動(dòng)時(shí)電流可達(dá)500mA），在其基極連接的電阻都比較小，一般說來約幾十歐姆到一百歐姆（如圖2所示R1 = 47），甚至有些公司把電阻省掉、直接短路。假設(shè)集成電路內(nèi)部三極管的發(fā)射極是直接到“地”，當(dāng)內(nèi)部NPN三極管飽和導(dǎo)通時(shí)，既Servo-PWM相當(dāng)于接到“地”，這時(shí)經(jīng)VT1發(fā)射結(jié)，再經(jīng)基極電阻R1（47）到“地”，因此基極電阻R1將有電流流過，且電阻越小、電流越大；若電阻短路，三極管V

6、T1發(fā)射結(jié)相當(dāng)于短路到“地”，這種惡劣情況是絕不允許出現(xiàn)的，因此在設(shè)計(jì)時(shí)集成電路內(nèi)部三極管發(fā)射極設(shè)置了一個(gè)幾十歐姆的電阻，這樣才安全可靠。二、升壓型DC-DC變換器1升壓型DC-DC變換器模型為了講述升壓型DC-DC變換電路，先簡(jiǎn)單介紹一下升壓DC-DC變換器的等效模型，如圖（4）所示。圖（4） 升壓型DC-DC變換器模型開關(guān)S導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓加Vi在電感上，這期間電感由輸入電壓Vi勵(lì)磁、電感存儲(chǔ)能量，磁通量增加量為： （3）開關(guān)S斷開時(shí)，由于電感電流連續(xù)，二極管轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)。輸出電壓與開關(guān)導(dǎo)通時(shí)方向相反加到電感上，這期間電感消磁、釋放能量，磁通量減少量為： （4）穩(wěn)態(tài)時(shí)，電感中磁通量增加量與

7、磁通量減少量相等，即 ，因此代入上述（3）、（3）式可得： 其中是占空比，顯然這種結(jié)構(gòu)形式的DC-DC變換器輸出的電壓只會(huì)大于或等于輸入的電壓，因此它屬于升壓型變換器。2升壓型DC-DC變換器實(shí)例升壓型DC-DC變換器實(shí)例電路如圖（5）所示。既可以是電池（干電池或充電電池），也可以是外接適配器的電源。升壓型DC-DC變換器有穩(wěn)壓控制，變換后的電壓。圖（5） 升壓型DC-DC變換器實(shí)例在這個(gè)DC-DC變換器電路中，變壓器是電能轉(zhuǎn)換的核心器件，其中1、3腳是同名端，2、4也是同名端，2、3腳通過PCB板銅箔連接。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)變壓器初級(jí)繞組的電感量約100120uH。3工作原理正常工作時(shí)PWM輸出脈沖

8、信號(hào)，經(jīng)R1加到VT1基極（電容C2并聯(lián)于R1，是加速電容）。PWM和VT1集電極波形如圖（6）。（1）當(dāng)PWM=1時(shí)VT1飽和導(dǎo)通，變壓器T的2、3腳相當(dāng)于接地；參照前面的分析可知變壓器初級(jí)勵(lì)磁、蓄能，根據(jù)同名端可知變壓器的初級(jí)極性“上正下負(fù)”，次級(jí)極性“上負(fù)下正”，各腳電壓梯度如表（1）所示：變壓器端子號(hào)電壓梯度對(duì)地電壓1高電源2、3中04低表（1）其中，是變壓器次級(jí)感生的電壓，圖（7）顯示CH2位于測(cè)量線以下的就是， 應(yīng)為負(fù)值。顯然，PWM=1時(shí)VT1飽和導(dǎo)通，VT2處于截止?fàn)顟B(tài)。圖（6） 1是PWM脈沖，2是VT1集電極波形 圖（7） 1是VT1集電極波形，2變壓器4腳波形 （2）當(dāng)P

9、WM=0時(shí)VT1截止，變壓器初、次級(jí)電壓極性反轉(zhuǎn)，由變壓器同名端可知初級(jí)極性“上負(fù)下正”，次級(jí)極性“上正下負(fù)”，各腳電壓梯度如表（2）所示：變壓器端子號(hào)電壓梯度對(duì)地電壓1低電源2、3中+4高+表（2）其中，、分別是變壓器初、次級(jí)感生的附加電壓。注：這里所講的“上負(fù)下正”，“上正下負(fù)”都是相對(duì)誰比誰高而言，并不是對(duì)“地”的電壓值為“正”或“負(fù)”。顯然，PWM=0時(shí)VT1截止，VT2處于導(dǎo)通狀態(tài)。然而，VT2究竟何時(shí)飽和導(dǎo)通還是放大導(dǎo)通呢？請(qǐng)見后文（3）理論計(jì)算上面講述了PWM=1/0兩種情況下VT1、VT2工作狀態(tài)，并探究了變壓器各腳的電壓梯度、和；那么，、和究竟與哪些參數(shù)有關(guān)，大小如何呢？好！

10、下面結(jié)合4個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的波形圖繼續(xù)討論，如圖（8）。期間（）期間VT1導(dǎo)通，VT1、VT2集電極電壓為零，變壓器初級(jí)感生電壓抵抗電流的變化，感生電壓等于，極性與電源電壓相反；與此同時(shí)，變壓器次級(jí)也感生電壓，數(shù)量大小由變壓器次、初級(jí)匝比而定。設(shè)變壓器次、初級(jí)的匝比為，則端電壓為，即=。VT2發(fā)射極約3.0V（后面再解釋為什么？），電容C5和C6與電感 L1構(gòu)成型濾波網(wǎng)絡(luò)給負(fù)載供電，電容電壓逐漸下降。變壓器初級(jí)電流從時(shí)刻的線性增加到時(shí)刻的，電感勵(lì)磁、存儲(chǔ)能量。圖（8） 3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的波形 期間（）期間VT1截止，變壓器初、次級(jí)電壓極性反轉(zhuǎn)，初級(jí)感生的附加電壓與電源電壓同相，即VT1集電極電壓為+；次級(jí)感

11、生電壓為，也與電源電壓同相，因此，變壓器端的電壓高于端電壓由波形圖（7）CH2高于CH1也可以印證之！。這個(gè)較高的電壓脈沖經(jīng)C4耦合、R2限流后加到VT2基極，VT2導(dǎo)通，而VT2基極被嵌位于約3.7V（因VT2發(fā)射極電壓約為3.0V，而基極只比發(fā)射極高一個(gè)結(jié)壓降），如圖（9）。VT2導(dǎo)通時(shí)基極電壓箝位于。變壓器初級(jí)電流從時(shí)刻的開始線性減小到時(shí)刻的，電感消磁、釋放能量，這樣就實(shí)現(xiàn)了能量變換。VT1截止時(shí)變壓器腳電壓遵循DC-DC變換器電壓公式 即，減去電源就是初級(jí)感生的附加電壓，即初級(jí)感生的附加電壓，而次級(jí)感生的附加電壓可由初、次級(jí)繞組的匝比計(jì)算得到，即，所以變壓器端電壓為：因此，可以這樣理解

12、圖（7）、（8）波形：VT1導(dǎo)通時(shí)變壓器腳電壓為零，腳電壓為；VT1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止時(shí)變壓器腳電壓跳變?yōu)椋_電壓跳變?yōu)檫@也是實(shí)測(cè)波形圖（7）中CH2高于CH1的原因所在！ 圖（9） 1是VT1集電極波形，2是VT2基極波形 圖（10） 測(cè)量VT1導(dǎo)通時(shí)間5實(shí)例驗(yàn)證以上只是筆者的理論分析和推導(dǎo)，事實(shí)是不是如此？有關(guān)計(jì)算公式是否正確呢？好！下面就以上述測(cè)試的電路參數(shù)來分步計(jì)算驗(yàn)證之。（1）、周期根據(jù)如圖（9）可知PWM開關(guān)頻率，因此開關(guān)周期。（2）、VT1導(dǎo)通時(shí)間和占空比關(guān)掉通道CH2拉開波形，如圖（10），測(cè)量VT1導(dǎo)通時(shí)間，由占空比定義，于是（3）、變壓器次、初級(jí)匝比由圖（7）可以讀出VT1導(dǎo)通

13、時(shí)次級(jí)感生電壓，已知，因此。（4）、求解變壓器、腳電壓、由升壓變壓器基本公式，得，圖（7）顯示為，這表明理論計(jì)算值和實(shí)際測(cè)量值差別很小。同理，。（5）、變壓器初級(jí)電流時(shí)刻VT1導(dǎo)通，流過變壓器的電流逐漸增大，電感蓄能、磁通量增加，于是有方程 式中L是變壓器初級(jí)電感量，是變壓器初級(jí)電流對(duì)時(shí)間的微分。對(duì)方程積分，有，其中是時(shí)刻的變壓器初級(jí)電流。當(dāng)時(shí)，有 ，因?yàn)槭且粋€(gè)周期初始時(shí)刻，兩式聯(lián)立，有，而時(shí)刻變壓器初級(jí)電流達(dá)到最大值，即也就是說，最大電流為，由負(fù)載的大小決定，一旦知道VT1導(dǎo)通時(shí)間，變壓器初級(jí)電感量，就可得到。時(shí)刻后VT1截止，流過變壓器的電流逐漸減小，電感釋能、磁通量減小。假設(shè)，已知，代入

14、公式，得 注意：?jiǎn)挝皇呛涟?！已知?fù)載平均電流，根據(jù)電流-時(shí)間包圍“面積”相等法則，下列等式成立，如圖（10）。代入已知參數(shù)，得：，圖（11） 電流-時(shí)間包圍“面積”相等前面說了主電源變換器是升壓變換器，而主電源供給除伺服以外的其它電路使用，它要求很穩(wěn)定，那么它是如何實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的呢？如圖（11），由DC-DC變換后的電壓回送到電源管理集成電路，由R1、R2分壓后加到內(nèi)部比較器的反相輸入端，而比較器的同相輸入端連接內(nèi)部基準(zhǔn)電壓。可以想象：較高時(shí)分壓后加到比較器反相輸入端的電壓“大于”同相輸入電壓、比較器輸出“低電平”；同理，當(dāng)較低時(shí)分壓后加到比較器反相輸入端的電壓“小于”同相輸入電壓、比較器輸出“高

15、電平”。因此，電源管理集成電路就靠比較器的輸出控制內(nèi)部一個(gè)PWM生成器（該生成器還受其它條件約束，比如短路保護(hù)，起動(dòng)時(shí)占空比最大限制等）控制PWM輸出使穩(wěn)定在某一值上，R3和C1串聯(lián)后并聯(lián)于反相輸入/輸出端，用于頻率補(bǔ)償。圖（11） 集成電路內(nèi)部穩(wěn)壓原理由上所述，穩(wěn)定時(shí)設(shè)滿足等式，把圖中R1、R2的阻值代入公式，得這就是前面講的為何是穩(wěn)定的且穩(wěn)定在的原因所在！ 回顧一下前面的分析過程，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)主電源變換器并不能簡(jiǎn)單的等效于升壓變換器。因?yàn)樯龎鹤儞Q器只能升壓，而主電源變換器即可以變換較“低”電壓，也可以變換較“高”電壓，但是輸出一直保持穩(wěn)定的。實(shí)際上，當(dāng)輸入較“高”電壓時(shí)，比如外接適配器供電，

16、三極管VT2工作在放大狀態(tài)，所以用適配器供電工作時(shí)VT2有點(diǎn)發(fā)熱；當(dāng)輸入較“低”電壓時(shí)，比如電池供電，三極管VT2工作在飽和或臨界飽和狀態(tài)電路設(shè)計(jì)的精妙所在，即電池供電時(shí)能量充分利用而不是變成無謂的熱損耗，延長(zhǎng)電池使用壽命！從上面的分析中我們還會(huì)發(fā)現(xiàn)，與其說是變壓器倒不如說是電感更確切，因?yàn)橹挥谐跫?jí)真正參于了能量變換，次級(jí)僅起對(duì)VT2的控制作用，使VT1、VT2工作于互補(bǔ)導(dǎo)通的工作方式。6深入討論為了更深入地理解升壓DC-DC變換器電路，還是以上面的實(shí)例繼續(xù)探討，結(jié)合波形圖講述VD1、R2、R3的作用，實(shí)際上，這也是電路設(shè)計(jì)工程師最關(guān)心的問題。（1）、時(shí)刻之前VT1截止、VT2導(dǎo)通。由于VT2

17、基極箝位于3.7V，且R2很小，所以R2、R3和C4交點(diǎn)電壓基本上等于VT2基極電壓，即約3.7V；已知變壓器端電壓為，則電容C4兩端的電壓差為。（2）、期間VT1導(dǎo)通、VT2截止。變壓器電壓極性反轉(zhuǎn)，腳電壓為，則控制支路等效電路如圖（12）。此時(shí)，變換后的穩(wěn)定電壓經(jīng)D1降壓后和變壓器次級(jí)感生電壓同向相加（實(shí)際有效電壓為，約為，）通過R3對(duì)C4放電（注：是開關(guān)二極管IN4148的導(dǎo)通壓降）。圖（12） VT1導(dǎo)通、VT2截止控制支路電路等效（4）、期間又重復(fù)（1）的過程：變壓器腳電壓從跳變?yōu)?，D1反偏截止，VT2基極電壓被嵌位在3.7V（變換后的穩(wěn)定電壓和VT2發(fā)射結(jié)壓降之和），則控制支路等效

18、電路如圖（13）。圖（13） VT1導(dǎo)通、VT2截止控制支路電路等效在上面的一系列分析中我們默認(rèn)VT1截止期間，變壓器、腳電壓是恒定不變的這僅僅是為了推導(dǎo)計(jì)算公式之方便。實(shí)際上，變壓器、腳電壓在VT1截止期間是變化的。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)：當(dāng)供電電壓時(shí)，VT1截止期間變壓器、腳電壓“前低后高”，供電電壓時(shí)，VT1截止期間變壓器、腳電壓“前高后低”。如圖（14）。圖（14） 時(shí)變壓器腳波形在和情況下，以C4右端為“參考地”（接示波器地線），測(cè)量C4左端電壓波形如圖（15）、（16）。由圖（15）、（16）可以看出，電源電壓較低時(shí)電容充電快、放電慢，并且在電壓上升到某值后保持；反之，當(dāng)電源電壓較高時(shí)電容充電慢、放電快這兩種狀況下，正好對(duì)應(yīng)VT2工作于飽和導(dǎo)通和放大導(dǎo)通！圖（15） 時(shí)C4兩端電壓波形 圖（16） 時(shí)C4兩端電壓波形有些公司設(shè)計(jì)時(shí)去掉D1，而把R3改為1K，