VICORDC-DC模块及其应用

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VICORDC/DC模块及其应用

2002-7-16



西安爱科电子有限责任公司 张志 牛王强
摘要：介绍VICORDC/DC模块的原理及应用经验。

关键词：DC/DC模块VICOR模块ZCS技术电压调节

中图法分类号：TN86文献标识码：A文章编号：02192713(2000)1158503

1引言

DC/DC模块是目前电源产业中较为成熟的产品，国内外许多厂家都有其技术成熟、各具特色的品种、规格。DC/DC模块的广泛应用，简化了产品设计，提高了产品可靠性，为DC/DC、DC/AC产品的二次开发提供了有利条件。


VICOR(怀格)公司是美国的专业模块电源生产厂家，其产品最大特点是功率密度高、可靠性好。产品系列覆盖10W～600W，输入输出隔离，使用方便，广泛应用于电信、工控、电力电子、军工、三航等领域。第一代VICOR模块借以提高电源转换效率的核心技术是ZCS（零电流开关）技术；第二代VICOR模块使用了ZCS/ZVS（零电流/零电压开关）技术，为通信专用48V输入系列。二者原理相似，并且功能、管脚兼容,这里以现在市场上较多的VICOR第一代模块（VI－2XX、VI－JXX、MI－2XX、MI－JXX等）为例，介绍该类产品的原理及应用过程中的经验。




图1原理框图（VI－J00系列无＊部分）



图2ZCS技术

2VICOR模块介绍

2.1原理简介

该DC/DC模块电路结构与通常的斩波DC/DC转换器相似，可参考原理框图（见图1）及相关资料，这里不再赘述。

在原理上，VICOR模块区别于通常产品之处主要是它使用了软开关的ZCS技术，见图2。

通常的硬开关斩波器波形近似为矩形波，即强迫开关器件在电压不为零时开通，电流不为零时关断，这样在矩形波的边沿就会因寄生参数而产生高频振荡，导致开关损耗增大，频率越高，开关损耗越大；而VICOR模块应用谐振技术，使开关器件中的电流波形近似于半周期的正弦信号，这样开

关的导通、关断时刻都对应零输入电流（即开关管电流），从而即使开关频率超过1MHz，开关损耗也只占极小的百分比。高的开关频率、低的开关损耗便产生了一系列优点：功率密度高、传导和辐射噪声小、响应快、转换效率高等。


VICOR模块的另一特点是输出电压可在额定值基础上，在5％到110％的范围内方便地调节(12V、15V是±10％)。电路原理参见图3。

内部误差放大器的负输入端是输出电压的采样值，正输入端与Trim端相连。当Trim端悬空时，其上的电位由2.5V的基准源（Bandgap）决定，亦为2.5V，此时电路输出为额定值。以简单的外接电阻网络，通过调节Trim端电压（即误差放大器的基准电压），可相应地调节输出电压。




图3VICOR模块调压原理



图4DC/DC模块管脚

降压时外接元件值的计算与额定输出电压无关。只需在Trim端与－OUT端间接一电阻与R5分压以确定Trim端电压。其值的计算方法如下（以－20％为例）：

要使输出电压降低20％，Trim端电压也需降低20％，这些电压都降落在内部电阻R5上：

UR5=2.5V×20％=0.5V

IR5=0.5V/10kΩ=50μA

IR5=IRd

故Rd=(2.5V－0.5V)/50μA=40kΩ

升压时，需提高Trim端电压，一般是从＋OUT端接一电阻Ru到Trim端，故外接元件值的计算与额定输出电压相关。Ru的计算方法如下（以24V提高5％为例）：

要使输出电压提高5％，Trim端电压也需相应提高5％，这些电压也都降落在内部电阻R5上（但方向与降压时相反）：

UR5=2.5V×5％=0.125V

IR5=0.125V/10kΩ=12.5μA

IR5=IRu

又URu=Uout－Utrim

=(24V＋24V×5％)－(2.5V＋0.125V)

=22.575V

故Ru=22.575V/12.5μA=1.8MΩ

当用VICOR模块进行二次开发时，有时要利用Trim功能构成闭环（见本文的应用举例），此时就不需要上述的电阻网络。但需注意的是，对于‘－2XX’模块，若Trim端电压超过一定值时，模块将会发生过压保护关断（OVPShutDown），此值额定为2.75V（实际值一般略高于此值，可达3V）。为避免模块的保护性关断，必须有措施防止此端电压过高。

2.2管脚含义及接法

DC/DC模块管脚图见图4。

＋IN、－IN：直流电压输入正、负端。输入电压可在额定值的－（20～50）％到＋（25～60）％范围内变动，具体值请参阅产品数据手册。

GATEOUT：当多个模块并联以提高输出功率时，此端输出的脉冲信号可用于模块间的同步。同步信号一

般按‘雏菊链’连接，即一模块的GATEOUT端连到下一模块的GATEIN端，可以得到几乎没有限制的功率提升能力。


GATEIN：此端是集电极开路结构，可以看作模块的使能/同步端。当它被拉低时（以－IN为基准，低于0.65V，6mA），模块关闭；浮空时，模块工作。另外，模块频繁开关时，此端接1μF左右电容，可提供软起动功能。

＋S、－S：正、负输出电压感受/遥感端。若＋S端电压高于额定输出值的110％，将激活模块的过压保护功能（‘－JXX’无过压保护功能），关闭模块。－S端电位不可超过0.25V，否则电流限制点将提高。


这两端用于遥感（REMOTESENSING），即当负载离模块较远、负载电流较大时，将＋S与＋OUT、－S与－OUT分别与负载两端相连，模块将略微提高输出电压以补偿＋OUT、－OUT连线上的压降，从而保证负载上的电压为额定值。当不需要遥感时，须将＋S与＋OUT、－S与－OUT直接相连。

TRIM：此端使输出电压在额定值的5％到110％的范围内可调。

＋OUT、－OUT：直流电压输出正、负端。

2.3应用注意

（1）若将输出电压调低，因为截流点（CURRENTLIMMITPOINT）并不随之变化，输出功率将降低。此外效率降低、输出电压纹波百分比升高、输入电压范围变宽。注意，此时应提供一额定输出功率1％的假负载，若调得低于75％，所需的假负载更大。


输出电压升高时，上述参数相反变化，此时应注意不可超过额定功率，因此，不可将输出电压调得高于额定值的110％。

（2）模块应接到一呈低交流阻抗的源上。若不能保证源的低阻抗，应在模块输入端就近安装一电解电容，其最小值为：C=400μF/Uin.min。


（3）按VICOR的规程，即使没有EMI/RFI要求，模块也应被适当地旁路。一般可用RC串联网络将＋IN、－IN分别与基板相连，C为Y级4700p，R是为降低Q值用，选1Ω。用RC并联网络将＋OUT、－OUT分别与基板相连，C也为Y级4700p，R为2MΩ。连线应尽量短。


（4）因VICOR模块效率较高，对散热的要求相对较低。但为了提高模块及系统的MTBF，常规的散热考虑和设计准则都应遵循。模块与其散热的底盘之间应有良好的导热性，并且是电绝缘的。


3应用实例



图5应用电路框图（1）



图6应用电路框图（2）

（1）利用两只VICOR模块，设计一输入24VDC、输出36V/400Hz的线性逆变电源。模块本身输入24V，输出24V，输出功率50W。原理框图如图5所示。



两只模

块输入并联，输出串联，运放输出为30Vpp电压。为在满载时输出也不出现削顶失真的同时，尽量降低额外的功率损耗，需将模块输出调到17V，为此，在模块的TRIM端接固定调节电阻到各自的－OUT端。电路有内外两个反馈环，其中外环调节波形发生器的参考电压实现输出电压的稳定。



VICOR模块的＋IN、－IN、＋OUT、－OUT端均按2.3（3）条所述，连接阻容网络到基板，以使耦合到输出电压上的高频干扰最小。



（2）在VICOR模块基础上进行二次开发，设计—输出电压为36V/400Hz的小型三相逆变电源。原理框图如图6所示。



模块型号为VI－2W4－CV，输入24V，输出48V，输出功率150W。逆变部分产生交流输出，因直流源、开关管、滤波电感均有阻抗存在，带载后输出电压将降低。反馈环节取自输出并整流、倒相、缓冲，得到一变化方向与输出相反的反馈信号，其幅值不大于2.7V。将此信号接到下模块的TRIM端，就构成了负反馈闭环。调节反馈系数，可以在规定的负载变动范围内（空、满载），使该模块输出电压相应地在38～50V之间变动，系统输出电压也被稳定在36V。

摘自《电源技术应用》2000.11

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