DC/DC 轉換器知識手冊

使用者實用技巧

RECOM 的轉換器知識手冊詳細介紹 DC/DC 轉換器的多種拓撲、回授迴路(類比和數位)、測試和量測、保護、濾波、安全性、可靠性、恆定電流驅動器和 DC/DC 應用。 本書雖屬技術性內容,但適合工程師、設計人員和學生閱讀。

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編撰歷程

我們推出第一款 DC/DC 轉換器的時間已經超過 25 年之久,當時市面上僅有少數公開的技術資料,而且幾乎沒有任何國際標準可以遵循。 當時我們亟需向客戶提供實用的應用資訊,因此促使我們在出版第一本產品目錄時,在附錄中加入一些簡單的應用說明。 這些年來,我們的專業能力不斷提升,因此這些準則也不斷增加。 即使尚未完善,但仍然廣受客戶群接納,集結成今日一套共 70 頁的應用說明,並且可從本公司網站下載。

這些年來,在半導體技術的進展以及高度整合數位電子的趨勢下,許多設計實驗室、大學和技術學院已經減少類比技術的知識基礎。 在類比電路設計上,往往缺乏實用的技術知識,尤其是在應用技術、測試與量測以及濾波和雜訊抑制方面。 因此,身為此領域的專家,我們認為一本更全面性的技術手冊有其必要,能讓硬體設計師和學生等當作參考資料。

關於作者

RECOM 的技術主管 Steve Roberts,在解決客戶問題、協助導入設計、研討會專題發表、撰寫文章,甚至是製作 YouTube 影片方面都有豐富的經驗。

任何 AC/DC 或 DC/DC 轉換器模組的功能,為的就是滿足以下一項以上的需求:
  • 讓二次負載與一次電源供應匹配
  • 在一次和二次電路間達到隔離
  • 提供防護,以免受到故障、短路或過熱的影響
  • 簡化安全、效能或 EMC 規範的合規性

DC/DC 轉換器知識手冊:第 1 章

穩壓簡介

穩壓簡介

圖 1.1:三引腳線性穩壓器方塊圖和引腳配置

現代化 AC/DC 和 DC/DC 轉換器的設計能進行高效率電源轉換,為多種電子儀器、裝置和系統提供受控制、安全且良好調節的 DC 電源供應。 不久前,變壓器、整流器和線性穩壓器還是電源轉換的主流技術,但如同 LED 逐漸取代燈泡,DC/DC 轉換器也逐漸淘汰線性穩壓器,而一次側切換式控制器也逐漸取代簡易型 50 Hz 主電源變壓器。

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內容概覽
  • 1.1 線性穩壓器
  • 1.2 切換式穩壓器

DC/DC 轉換器知識手冊:第 2 章

回授迴路

回授迴路

圖 2.9:次諧波不穩定波形

DC/DC 電源轉換設計的一些重要設計因素包含與回授迴路補償相關的計算和方法。 如果沒有適當計算回授迴路參數,可能會導致轉換器不穩定或穩壓失敗。 DC/DC 轉換器的回授迴路功用在於讓輸出電壓維持固定值,且僅受參考值影響,也就是說,不會受到負載、輸入電壓或環境變數的影響。

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內容概覽
  • 2.1 介紹
  • 2.2 開迴路設計
  • 2.3 封閉迴路設計
  • 2.4 回授迴路補償
  • 2.5 斜率補償
  • 2.6 類比和數位回授系統的迴路穩定性分析

DC/DC 轉換器知識手冊:第 3 章

瞭解規格書參數

瞭解規格書參數

圖 3.1:量測設定

每家商譽良好的製造商都會在產品上隨技術規格書,內容至少會列出最基本的操作參數、整體尺寸以及引腳連接。但若只根據規格書的資訊來比較不同的 DC/DC 轉換器,往往必須瞭解參數的含義,而非僅憑數字進行簡單比較。

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內容概覽
  • 3.1 量測方法 – DC 特性
  • 3.2 量測方法 – AC 特性
  • 3.3 瞭解熱參數

DC/DC 轉換器知識手冊:第 4 章

DC/DC 轉換器保護

DC/DC 轉換器保護

圖 4.2:串聯二極體反轉極性保護

承序言所述, DC/DC 轉換器的其中一項功能就是為應用提供防護。 即是是最基本的保護等級,也涵蓋負載和一次電源供應的匹配,以及在輸入過壓和欠壓狀態下穩定輸出電壓。此外 DC/DC 轉換器也是故障時確保系統受到保護的重要元件。 舉例而言,輸出過載限制和短路保護不只是會停止轉換器而已。

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內容概覽
  • 4.1 介紹
  • 4.2 反轉極性保護
  • 4.3 輸入保險絲
  • 4.4 輸出過壓保護
  • 4.5 輸入過壓保護
  • 4.6 電壓驟降和中斷
  • 4.7 湧入電流限制
  • 4.8 負載限制
  • 4.9 欠壓鎖定

DC/DC 轉換器知識手冊:第 5 章

輸入和輸出濾波

輸入和輸出濾波

圖 5.1:DC/DC 轉換器產生的干擾示意圖

輸出電容會隨著內部振盪器的能量脈衝進行充電和放電,因此所有的 DC/DC 轉換器都有輸出漣波電壓。 此輸出漣波的頻率與主要振盪頻率相同或雙倍,視拓撲而定,通常會介於 100 至 200 kHz 的範圍內。 切換電壓尖波會疊加漣波電壓上,並且具有通常介於 MHz 範圍內的較高頻率。

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內容概覽
  • 5.1 介紹
  • 5.2 反射漣波電流
  • 5.3 輸出濾波
  • 5.4 完整濾波

DC/DC 轉換器知識手冊:第 6 章

安全性

安全性

圖 6.4:間隙/沿面距離

建立多種安全標準和規範的主要目的在於,針對以下潛在危險定義其防護等級,藉此預防傷亡或財產損失:觸電、危險能量、火和煙、身體傷害、輻射和化學物危害。 「危險 (danger)」和「危害 (hazard)」兩個詞彙通常可通用。

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內容概覽
  • 6.1 觸電
  • 6.2 危險能量
  • 6.3 固有安全性
  • 6.4 本質安全性
  • 6.5 受傷危害
  • 6.6 安全設計
  • 6.7 醫療安全性

DC/DC 轉換器知識手冊:第 7 章

可靠性

可靠性

方程式 7.1:故障率計算

自從電子產品問世以來,使用者便非常在乎產品的正常使用年限。 由於沒有人能夠預測未來,因此便制訂統計方法來預測零件、組件或裝置的可靠性。

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內容概覽
  • 7.1 可靠性預測
  • 7.2 環境壓力因素
  • 7.3 MTBF 數值的使用
  • 7.4 MTBF 驗證
  • 7.5 MTBF 和溫度
  • 7.6 可靠性設計
  • 7.7 PCB 佈局的可靠性考量
  • 7.8 電容可靠性
  • 7.9 半導體可靠性
  • 7.10 ESD
  • 7.11 電感

DC/DC 轉換器知識手冊:第 8 章

LED 特性

LED 特性

圖 8.4:LED 燈串

打仗的首要準則就是「瞭解敵人」。 固態照明 (SSL) 的準則亦是如此,若對 LED 的特性不瞭解,應用無法成功的話也無需驚訝。 LED 是非線性元件。 若對 LED 施加低電壓,則不會導通。

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內容概覽
  • 8.1 用恆定電流驅動 LED
  • 8.2 DC 恆定電流來源範例
  • 8.3 LED 燈串
  • 8.4 並聯 LED 燈串
  • 8.5 平衡並聯燈串的 LED 電流
  • 8.6 並聯燈串或網狀陣列何者較佳?
  • 8.7 LED 調光
  • 8.8 熱降額
  • 8.9 溫度降額
  • 8.10 亮度補償
  • 8.11 採用 RCD 驅動器的電路範例

DC/DC 轉換器知識手冊:第 9 章

DC/DC 應用構想

DC/DC 應用構想

圖 9.5:電池健康監測器內的串接轉換器

許多應用都需要 DC/DC 轉換, 因此全球市場預估在 2020 年會超越 350 億美元。 但對於許多電路設計人員而言,DC/DC 轉換器是個「黑箱」,和電感和電晶體一樣,是用來達到某項功能的元件。

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內容概覽
  • 9.1 介紹
  • 9.2 極性反轉
  • 9.3 功率倍增器
  • 9.4 切換式穩壓器和 DC/DC 轉換器的結合
  • 9.5 連接轉換器
  • 9.6 增加隔離
  • 9.7 5 V 軌道雜訊抑制
  • 9.8 使用 CTRL 引腳
  • 9.9 使用 Vadj. 引腳

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