VICORDC/DC模塊及其應用

摘要：介紹VICORDC/DC模塊的原理及應用經驗。

關鍵詞：DC/DC模塊VICOR模塊ZCS技術電壓調節

VICOR DC/DC Module and Its Applications

Abstract: This paper introduces the principle and application experience of VICOR DC/DC module.

Keywords: DC/DC module， VICOR module， ZCS technology， Voltage regulation

中圖法分類號：TN86文獻標識碼：A文章編號：0219?2713(2000)11?585?03

1引言

DC/DC模塊是目前電源產業中較為成熟的產品，國內外許多廠家都有其技術成熟、各具特色的品種、規格。DC/DC模塊的廣泛應用，簡化了產品設計，提高了產品可靠性，為DC/DC、DC/AC產品的二次開發提供了有利條件。

VICOR(懷格)公司是美國的專業模塊電源生產廠家，其產品最大特點是功率密度高、可靠性好。產品系列覆蓋10W～600W，輸入輸出隔離，使用方便，廣泛應用于電信、工控、電力電子、軍工、三航等領域。第一代VICOR模塊借以提高電源轉換效率的核心技術是ZCS（零電流開關）技術；第二代VICOR模塊使用了ZCS/ZVS（零電流/零電壓開關）技術，為通信專用48V輸入系列。二者原理相似，并且功能、管腳兼容,這里以現在市場上較多的VICOR第一代模塊（VI－2XX、VI－JXX、MI－2XX、MI－JXX等）為例，介紹該類產品的原理及應用過程中的經驗。

圖1原理框圖（VI－J00系列無＊部分）

圖2ZCS技術

2VICOR模塊介紹

2.1原理簡介

該DC/DC模塊電路結構與通常的斬波DC/DC轉換器相似，可參考原理框圖（見圖1）及相關資料，這里不再贅述。

在原理上，VICOR模塊區別于通常產品之處主要是它使用了軟開關的ZCS技術，見圖2。

通常的硬開關斬波器波形近似為矩形波，即強迫開關器件在電壓不為零時開通，電流不為零時關斷，這樣在矩形波的邊沿就會因寄生參數而產生高頻振蕩，導致開關損耗增大，頻率越高，開關損耗越大；而VICOR模塊應用諧振技術，使開關器件中的電流波形近似于半周期的正弦信號，這樣開關的導通、關斷時刻都對應零輸入電流（即開關管電流），從而即使開關頻率超過1MHz，開關損耗也只占極小的百分比。高的開關頻率、低的開關損耗便產生了一系列優點：功率密度高、傳導和輻射噪聲小、響應快、轉換效率高等。

VICOR模塊的另一特點是輸出電壓可在額定值基礎上，在5％到110％的范圍內方便地調節(12V、15V是±10％)。電路原理參見圖3。

內部誤差放大器的負輸入端是輸出電壓的采樣值，正輸入端與Trim端相連。當Trim端懸空時，其上的電位由2.5V的基準源（Bandgap）決定，亦為2.5V，此時電路輸出為額定值。以簡單的外接電阻網絡，通過調節Trim端電壓（即誤差放大器的基準電壓），可相應地調節輸出電壓。

圖3VICOR模塊調壓原理

圖4DC/DC模塊管腳

降壓時外接元件值的計算與額定輸出電壓無關。只需在Trim端與－OUT端間接一電阻與R5分壓以確定Trim端電壓。其值的計算方法如下（以－20％為例）：

要使輸出電壓降低20％，Trim端電壓也需降低20％，這些電壓都降落在內部電阻R5上：

UR5=2.5V×20％=0.5V

IR5=0.5V/10kΩ=50μA

IR5=IRd

故Rd=(2.5V－0.5V)/50μA=40kΩ

升壓時，需提高Trim端電壓，一般是從＋OUT端接一電阻Ru到Trim端，故外接元件值的計算與額定輸出電壓相關。Ru的計算方法如下（以24V提高5％為例）：

要使輸出電壓提高5％，Trim端電壓也需相應提高5％，這些電壓也都降落在內部電阻R5上（但方向與降壓時相反）：

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

當用VICOR模塊進行二次開發時，有時要利用Trim功能構成閉環（見本文的應用舉例），此時就不需要上述的電阻網絡。但需注意的是，對于‘－2XX’模塊，若Trim端電壓超過一定值時，模塊將會發生過壓保護關斷（OVPShutDown），此值額定為2.75V（實際值一般略高于此值，可達3V）。為避免模塊的保護性關斷，必須有措施防止此端電壓過高。

2.2管腳含義及接法

DC/DC模塊管腳圖見圖4。

＋IN、－IN：直流電壓輸入正、負端。輸入電壓可在額定值的－（20～50）％到＋（25～60）％范圍內變動，具體值請參閱產品數據手冊。

GATEOUT：當多個模塊并聯以提高輸出功率時，此端輸出的脈沖信號可用于模塊間的同步。同步信號一般按‘雛菊鏈’連接，即一模塊的GATEOUT端連到下一模塊的GATEIN端，可以得到幾乎沒有限制的功率提升能力。

GATEIN：此端是集電極開路結構，可以看作模塊的使能/同步端。當它被拉低時（以－IN為基準，低于0.65V，6mA），模塊關閉；浮空時，模塊工作。另外，模塊頻繁開關時，此端接1μF左右電容，可提供軟起動功能。

＋S、－S：正、負輸出電壓感受/遙感端。若＋S端電壓高于額定輸出值的110％，將激活模塊的過壓保護功能（‘－JXX’無過壓保護功能），關閉模塊。－S端電位不可超過0.25V，否則電流限制點將提高。

這兩端用于遙感（REMOTESENSING），即當負載離模塊較遠、負載電流較大時，將＋S與＋OUT、－S與－OUT分別與負載兩端相連，模塊將略微提高輸出電壓以補償＋OUT、－OUT連線上的壓降，從而保證負載上的電壓為額定值。當不需要遙感時，須將＋S與＋OUT、－S與－OUT直接相連。

TRIM：此端使輸出電壓在額定值的5％到110％的范圍內可調。

＋OUT、－OUT：直流電壓輸出正、負端。

2.3應用注意

（1）若將輸出電壓調低，因為截流點（CURRENTLIMMITPOINT）并不隨之變化，輸出功率將降低。此外效率降低、輸出電壓紋波百分比升高、輸入電壓范圍變寬。注意，此時應提供一額定輸出功率1％的假負載，若調得低于75％，所需的假負載更大。

輸出電壓升高時，上述參數相反變化，此時應注意不可超過額定功率，因此，不可將輸出電壓調得高于額定值的110％。

（2）模塊應接到一呈低交流阻抗的源上。若不能保證源的低阻抗，應在模塊輸入端就近安裝一電解電容，其最小值為：C=400μF/Uin.min。

（3）按VICOR的規程，即使沒有EMI/RFI要求，模塊也應被適當地旁路。一般可用RC串聯網絡將

＋IN、－IN分別與基板相連，C為Y級4700p，R是為降低Q值用，選1Ω。用RC并聯網絡將＋OUT、－OUT分別與基板相連，C也為Y級4700p，R為2MΩ。連線應盡量短。

（4）因VICOR模塊效率較高，對散熱的要求相對較低。但為了提高模塊及系統的MTBF，常規的散熱考慮和設計準則都應遵循。模塊與其散熱的底盤之間應有良好的導熱性，并且是電絕緣的。

3應用實例

圖5應用電路框圖（1）

圖6應用電路框圖（2）

（1）利用兩只VICOR模塊，設計一輸入24VDC、輸出36V/400Hz的線性逆變電源。模塊本身輸入24V，輸出24V，輸出功率50W。原理框圖如圖5所示。

兩只模塊輸入并聯，輸出串聯，運放輸出為30Vp?p電壓。為在滿載時輸出也不出現削頂失真的同時，盡量降低額外的功率損耗，需將模塊輸出調到17V，為此，在模塊的TRIM端接固定調節電阻到各自的－OUT端。電路有內外兩個反饋環，其中外環調節波形發生器的參考電壓實現輸出電壓的穩定。

VICOR模塊的＋IN、－IN、＋OUT、－OUT端均按2.3（3）條所述，連接阻容網絡到基板，以使耦合到輸出電壓上的高頻干擾最小。

（2）在VICOR模塊基礎上進行二次開發，設計—輸出電壓為36V/400Hz的小型三相逆變電源。原理框圖如圖6所示。

模塊型號為VI－2W4－CV，輸入24V，輸出48V，輸出功率150W。逆變部分產生交流輸出，因直流源、開關管、濾波電感均有阻抗存在，帶載后輸出電壓將降低。反饋環節取自輸出并整流、倒相、緩沖，得到一變化方向與輸出相反的反饋信號，其幅值不大于2.7V。將此信號接到下模塊的TRIM端，就構成了負反饋閉環。調節反饋系數，可以在規定的負載變動范圍內（空、滿載），使該模塊輸出電壓相應地在38～50V之間變動，系統輸出電壓也被穩定在36V。

參考文獻

VICOR Corporation.PRODUCT USER GUIDE,1998