VICORDC/DC模块及其应用
vicordc/dc模块及其应用
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
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。
参考文献
vicor corporation.product user guide,1998
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综合药品稳定性试验箱产品特点的介绍
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关键词：dc/dc模块vicor模块zcs技术电压调节
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
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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
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＋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。
参考文献
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