电荷电压转换器

电源其实就是一个由变压器和交流/ 直流转换器以及相应稳压电路所组成的“综合变电器”。本身就存在着电能的消耗，因此输入电源的能量并不能100% 转化为供主机内各部件使用的有效能量，这样就存在一个转换效率的问题。而对于需要从高输入电压转换到极低输出电压的应用，有不同的解决方案。一个有趣的例子是从48 V转换到3.3 V。这样的规格不仅在信息技术市场的服务器应用中很常见，在电信应用中同样常见。[align=center][img=,572,224]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/05/201805021638264398_3527_3345709_3.png!w572x224.jpg[/img][/align][align=center]图1. 通过单一转换步骤将电压从48 V降至3.3 V[/align]如果将一个降压转换器（降压器）用于此单一转换步骤，如图1所示，会出现小占空比的问题。占空比反映导通时间（当主开关导通时）和断开时间（当主开关断开时）之间的关系。降压转换器的占空比由以下公式定义：[align=center] [img]https://www.yishangm.com/upload/image/20180502/20180502155145_12854.png[/img][/align][align=center]当输入电压为48 V而输出电压为3.3 V时，占空比约为7%。[/align]这意味着在1 MHz（每个开关周期为1000 ns）的开关频率下，Q1开关的导通时间仅有70 ns。然后，Q1开关断开930 ns，Q2导通。对于这样的电路，必须选择允许最小导通时间为70 ns或更短的开关稳压器。如果选择这样一种器件，又会有另一个挑战。通常，当以非常小的占空比运行时，降压调节器的高功率转换效率会降低。这是因为可用来在电感中存储能量的时间非常短。电感器需要在较长的关断时间内供电。这通常会导致电路中的峰值电流非常高。为了降低这些电流，L1的电感需要相对较大。这是由于在导通时间内，一个大电压差会施加于图1中的L1两端。在这个例子中，导通时间内电感两端的电压约为44.7 V，开关节点一侧的电压为48 V，输出端电压为3.3 V。电感电流通过以下公式计算：[align=center][img]https://www.yishangm.com/upload/image/20180502/20180502155154_97807.png[/img][/align]如果电感两端有高电压，则固定电感中的电流会在固定时间内上升。为了减小电感峰值电流，需要选择较高的电感值。然而，更高的电感值会增加功率损耗。在这些电压条件下，ADI 的高效率 LTM8027 μModule稳压器在4 A输出电流时仅实现80%的功率效率。目前，非常常见且更高效的提高功率效率的电路解决方案是产生一个中间电压。图2显示了一个使用两个高效率降压调节器的级联设置。第一步是将48 V电压转换为12 V，然后在第二转换步骤中将该电压转换为3.3 V。当从48 V降至12 V时，LTM8027 μModule稳压器的总转换效率超过92%。第二转换步骤利用LTM4624将12 V降至3.3 V，转换效率为90%。这种方案的总功率转换效率为83%，比图1中的直接转换效率高出3%。[align=center][img=,581,124]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/05/201805021638413077_2289_3345709_3.png!w581x124.jpg[/img][/align][align=center]图2. 电压分两步从48 V降至3.3 V，包括一个12 V中间电压[/align]这可能相当令人惊讶，因为3.3 V输出上的所有功率都需要通过两个独立的开关稳压器电路。图1所示电路的效率较低，原因是占空比较短，导致电感峰值电流较高。比较单步降压架构与中间总线架构时，除功率效率外，还有很多其他方面需要考虑。但是，本文只打算讨论功率源转换效率的重要方面。这个基本问题的另一种解决方案是采用新型混合降压控制器LTC7821。它将电荷泵动作与降压调节结合在一起。这使得占空比达到2 × VIN/VOUT，因此可以在非常高的功率转换效率下实现非常高的降压比。中间电压的产生对于提高特定电源的总转换效率可能相当有用。为了提高图1中极小占空比下的转换效率，业界进行了大量开发工作。例如，可以使用非常快速的GaN开关来降低开关损耗，从而提高功率转换效率。然而，这种解决方案的成本目前还高于级联解决方案（例如图2所示）。

[color=#ff0000]摘要：电气转换器和电气比例阀是目前常见了两类电控式气体压力调节器，尽管它们的基本功能相同，都属于电子式减压阀，但所用技术、功能和指标并不一样。本文详细介绍了这两类电子压力调节器，并做出对比，为选型和具体应用提供参考。[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=18px][color=#ff0000][b]一、概述[/b][/color][/size]从第一性原理来看，电气转换器和电气比例阀这两类器件都属于电子控制式的气体减压阀，都是通过电信号对输入的气体压力进行自动减压调节。从历史上来看，电气转换器是上世纪五十年代发展的比较典型的电子压力调节器，且市场占有率较大。但随着近一二十年来的技术进步，新兴出现了电气比例阀，且正在快速蚕食电气转换器的市场份额。面对目前这两类电子压力调节器共存的局面，在具体应用中会面临选型的问题，因此有必要对这两类气体压力调节器有比较深刻的了解，但国内在这方面的相关资料非常稀少。本文将详细介绍这两类电子压力调节器，并做出对比，为选型和具体应用提供参考。[color=#ff0000][b][size=18px]二、基本概念[/size][size=16px]2.1 电气转换器[/size][/b][/color]电气转换器（Electro-Pneumatic Transducer）在国内外有多种称谓，最常用的术语是：（1）电流/压力转换器（I/P Transducer 或 I/P Converter）。（2）电压/压力转换器（E/P Transducer或 E/P Converter）。（3）电子压力调节器（Electronic Pressure Regulator）上述这些术语很容易理解，其中“I”代表电流，“E”代表电压，“P”代表气动压力。作为典型的电子式气体减压装置，顾名思义，这些装置通过电流（通常为4~20mA）或电压(通常为0~5VDC或0~10VDC）将较大压力的进气进行减压调节。因此，I/P 是一种将电流转换为已知输出压力的电子设备，而 E/P 是将电压转换为已知输出压力的电子设备。电气转换器的一个重要特点是成正比，即随着电流或电压的增加，减压后的输出压力也相应增加。典型的电气转换器及其内部结构如图1所示。电气转换器的基本原理是通过磁线圈（类似于扬声器线圈）在导向膜片上产生力的不平衡来进行运行。除了线圈，没有控制压力输出的电子部件。从图1可以看出，电气转换器是一个简单的力机械天平，具有可调的零点和量程弹簧偏压。操作使用人员经过精心培训，可以调整零点和量程螺钉，以获得所需的精度和重复性。[align=center][img=电气转换器及其内部结构示意图,600,315]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/10/202210311127044971_7024_3221506_3.jpg!w690x363.jpg[/img][/align][align=center]图1 电气转换器及其内部结构示意图[/align]在电气转换器中通常还包含第二个流量增压级，该增压级使用力平衡隔膜和阀座在出口处产生比第一级阀更高的流量。电气转换器作为一种传统的电子压力调节装置，如果正确维护和经常校准，这些压力调节器工作得相当好。事实上，自上世纪五十年代后，电气转换器是气动控制的基础，在世界各地的工厂中配合了无数的控制阀和气缸进行工作。[size=16px][color=#ff0000][b]2.2 电气比例阀（伺服或电磁阀机构）[/b][/color][/size]电气比例阀是国内比较常用的术语，同样，电气比例阀也有以下多种称谓：（1）电子比例调节器/阀（Electronic Proportional Regulator）（2）电气调节器/电空比例阀（Electro-Pneumatic Regulator）（3）比例压力调节器/阀（Proportional Pressure Regulator）（4）比例压力控制阀（Propportional Pressure Control Valve）（5）电子压力控制器（Electronic Pressure Controller）在过去十多年中，发展最快的电子压力调节器类型是伺服阀形式设计的电气比例阀，它使用了两个高速伺服或电磁阀来根据需要增加或降低气体压力以实现减压压力。与以前的电气转换器技术相比，这些电子压力调节器提供了更高的压力和更大的灵活性和鲁棒性。典型的电气比例阀及其工作原理如图2所示。[align=center][img=电气比例阀及其工作原理示意图,600,395]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/10/202210311127280548_153_3221506_3.jpg!w690x455.jpg[/img][/align][align=center]图2 电气比例阀及其工作原理[/align]电气比例阀的基本工作原理是一种典型的气体动态平衡法，即通过使用一个进气阀和一个排气阀使内部压力保持动态平衡，使得出口压力保持在所需的设定值。一个压力传感器监控输出压力，一个数字或模拟控制器调节伺服阀（电磁阀）的快速开启关闭以控制设定点压力。从结构上来说，电气比例阀是一个完整的闭环控制阀，包括两个高速电磁阀、一个底座、一个积分压力传感器和一个电子PID控制电路。二个高速电磁阀分别控制进气、出气。进气阀门的操控与电子电路供给的压力信号成比例。内置压力传感器测量输出压力并提供反馈信号到PID控制电路。反馈信号与压力控制设定值相比较，当二者之间不同时，使其中一个阀门打开。如果要达到系统所需的压力，就会使进气阀动作，按比例消除比较信号中的差异。典型电气比例阀通常需要直流电源和代表压力设定点的模拟信号进行工作。控制器通常接受电流（4~20mA）或电压（通常0~10或0~5VDC）输入信号。除了常见的模拟信号标准外，带数字电路的型号还可以接受串口通信（如RS-485或DeviceNet)。大多数电气比例阀还提供代表压力传感器的模拟信号输出。有些型号的电气比例阀还会包含一个小放气阀（向大气排放少量气体），以便在非常低或无流量情况下使用。[b][size=18px][color=#ff0000]三、特性比较[/color][/size][/b]从上述的基本概念内容可以看出，电气转换器和电气比例阀的基本功能相同，都是用来进行压力的减压控制，都属于电子式减压阀，但所用技术、功能和指标并不一样。表1对这两类压力调节阀进行更详细的对比。[align=center]表1 电气转换器与电气比例阀对比表[/align][align=center][img=电气比例阀和电气转换器比较表,690,519]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/10/202210311127513875_1243_3221506_3.jpg!w690x519.jpg[/img][/align][align=center][/align][b][size=16px][color=#ff0000]四、结论[/color][/size][/b]从上述对比可以看出，电气比例阀采用了更新的技术，与传统的电气转换器相比具有更优异的性能，电气比例阀正在快速对电气转换器形成升级替换，特别是随着电气比例阀的价格逐渐降低，已逐渐成为电气压力控制领域内主要产品。另外，由于电器比例阀内置了压力传感器和PID控制器，为很多压力控制应用场合提供了极其丰富的拓展应用，即采用电气比例阀可很方便的与其他物理量（如温度、位移、出力等）的探测和控制组成更复杂的串级控制回路，实现更多工业应用领域中的精密控制功能。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]