高可靠DC-DC變換器的設(shè)計(jì)

1概述

　　高性能DC-DC變換器要求具有高功率密度，大電流通路，寬泛的工作溫度范圍等特點(diǎn)。近年來(lái)隨著航空航天領(lǐng)域的拓展，對(duì)高性能DC-DC變換器的需求日益大增，而對(duì)采用厚膜混合集成功率電路工藝制造的高可靠105℃的DC-DC變換器的需求更為突出。

　　采用厚膜工藝配套。利用淺腔式金屬外殼，平行縫焊封裝，提高了氣密性(漏氣率達(dá)10E-8atm．cm3／s數(shù)量級(jí))，增強(qiáng)了電路內(nèi)部保護(hù)功能，有利于混合電路的長(zhǎng)期可靠性，克服錫焊使用助焊劑造成電路松香污染的缺陷。外殼采用10號(hào)冷軋鋼，熱膨脹系數(shù)接近7 ppm／℃，有助于散熱。

2 應(yīng)用設(shè)計(jì)

　　應(yīng)用PWM開(kāi)關(guān)型控制器設(shè)計(jì)高頻DC-DC變換器，本設(shè)計(jì)通過(guò)減小延遲時(shí)間，增加一些附屬功能大大增強(qiáng)高頻功率變換器的應(yīng)用。通過(guò)增大轉(zhuǎn)換頻率，能夠減小儲(chǔ)能元件的尺寸，使用陶瓷電容增加穩(wěn)定性，降低系統(tǒng)消耗，簡(jiǎn)化了分布電源結(jié)構(gòu)。

2.1選擇變換器的工作方式

　　對(duì)于Si9114，變換器的最佳工作方式是回掃式(反激式)和正激式?；貟呤阶儞Q器中所有線圈并聯(lián)。當(dāng)一個(gè)線圈短路，其他線圈也短路，輔助電源繞組也隨之短路，無(wú)法向控制電路提供電源，使得輸出電壓不穩(wěn)定。而正激式變換器的輔助電源繞組正向?qū)?，輸出繞組短路時(shí)，脈寬降到最窄，依然能夠向控制電路提供足夠的電源。故選用正激式變換器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 PWM控制電路

2.2.1 Si9114 PWM控制電路特點(diǎn)

　　Si9114作為電流型脈沖調(diào)制式(PWM)控制器，具有以下特點(diǎn)：

　　開(kāi)關(guān)頻率高達(dá)1 MHz。由于開(kāi)關(guān)頻率高，儲(chǔ)能元件尺寸小，全部采用貼片式，尺寸小，重量輕，系統(tǒng)成本低；

　　內(nèi)部集成有功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電路和高壓?jiǎn)?dòng)電路，采用DMOS晶體管，允許內(nèi)部集成200 V的高壓直流相連，省去二次穩(wěn)壓；

　　軟啟動(dòng)電路可使功率元件在系統(tǒng)上電時(shí)受到小的沖擊，提高系統(tǒng)的可靠性；

　　提供同步輸出引線，可使變換器之間同步或與外部某一時(shí)鐘同步，簡(jiǎn)化了EMI濾波，易于實(shí)現(xiàn)DC變換器的并聯(lián)； 具有邏輯控制的關(guān)閉電路及欠壓關(guān)斷電路；

　　耐壓200 V，導(dǎo)通電阻1 Ω，SO-8封裝，適用于10 W～30 W的開(kāi)關(guān)電源。

2.2.2 PWM控制電路的功能

　　Si9114的引腳1為高壓預(yù)調(diào)制器：由于DC母線電壓與VCC電壓存在很大差距，需要一個(gè)啟動(dòng)電路。Si9114采用低功耗、BIC／DMOS電路制造技術(shù)和高電壓耗盡型MOSFET解決了啟動(dòng)問(wèn)題。當(dāng)電壓上電時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，電流從輸入電容CIN流入VCC電容CVCC直到VCC到達(dá)9.2 V，變換器通過(guò)一個(gè)輔助電源繞組供給VCC時(shí)，當(dāng)VCC高于9.2 V，關(guān)閉高壓耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管，理想電壓為11 V～13 V。圖1所示為PWM控制電路的啟動(dòng)電路。

　　引腳2為關(guān)閉端。關(guān)閉端用于快速關(guān)閉輸出脈沖，由該引腳到輸出端典型的延遲為300 ns。該延遲時(shí)間完全可由引腳2實(shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)功能。

　　引腳3為基準(zhǔn)電源?；鶞?zhǔn)電壓4.0 V，提供5 mA的電流。為防止不穩(wěn)定和紋波，須對(duì)基準(zhǔn)電源加退耦電路，建議采用100 nF的陶瓷電容。

　　引腳4、引腳5、引腳6組成誤差放大器。誤差放大器由PMOS輸人對(duì)稱級(jí)連增益放大級(jí)和-AB類增益放大器構(gòu)成。典型的開(kāi)環(huán)電壓增益為77 dB，單位增益帶寬為2.7 MHz。誤差放大器的同相端接在由2只1 kΩ電阻組成的分壓器，其電壓為2 V(VREF=4 V)，C2為旁路電容。誤差放大器的反饋電壓5 V輸出端經(jīng)光電耦合器及TL431組成的電路隔離，輸入至FB端。

　　引腳7為軟啟動(dòng)。軟啟動(dòng)電路有助于變換器以正常方式啟動(dòng)并減小元件壓力。啟動(dòng)時(shí)，由于輸入電容而引起的初始啟動(dòng)電流，變換器試圖將輸出電壓納入調(diào)制范圍時(shí)，工作于最大占空比周期時(shí)產(chǎn)生峰值電流，當(dāng)遇到大輸出電容和峰值電流時(shí)，可能發(fā)生振蕩。可用延遲軟肩動(dòng)時(shí)間避免發(fā)生此類問(wèn)題。

　　引腳8和引腳9為振蕩器。振蕩器的振蕩頻率取決于外接元件RT和GT(參見(jiàn)圖3)。內(nèi)部二分頻電路可防止占空比大于50％，避免變壓器磁芯飽和。通過(guò)改變VCC注入RT的電流，改變變換器的工作頻率。依據(jù)Si9114的數(shù)據(jù)資料，RT應(yīng)選取為68 kΩ～1 000 kΩ，CT應(yīng)選取47 pF～200 pF。

 
　　引腳10為同步端。同步輸入端主時(shí)鐘與其連接，這樣頻率和相位都與主時(shí)鐘同步，從而避免由于不同步的差拍效應(yīng)而產(chǎn)生的噪聲電平干擾，使得DC變換器的并聯(lián)應(yīng)用易于實(shí)現(xiàn)。

　　引腳11為輸入地。

　　引腳12為輸出驅(qū)動(dòng)。輸出驅(qū)動(dòng)采用N溝道和P溝道互補(bǔ)型輸出級(jí)，其輸出電流為400 mA，灌入電流為700 mA。

　　引腳13為電流檢測(cè)。電流檢測(cè)比較器通過(guò)比較誤差放大器的輸出與輸出電感中的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)電流模式控制。由于整流器的反向恢復(fù)，次級(jí)線圈的等效容性負(fù)載以及感性電路的影響，被測(cè)電流波形前沿常有毛刺及噪聲電平，通過(guò)RC網(wǎng)絡(luò)低通濾波器可抑制前沿毛刺，使得整個(gè)波形不產(chǎn)生畸變。圖2(a)為輸入波形，(b)為低通濾波器網(wǎng)絡(luò)，(c)為正確而需要的輸出波形。

　　引腳14為Si9114的電源端。VCC電壓范圍為9.5 V～16.5 V。最大絕對(duì)值為18 V。在實(shí)際應(yīng)用中，高溫時(shí)電壓下移2.0 V；低溫時(shí)上移3.0 V，該電壓一般在10.8 V～12.5 V。為了保證VCC電壓穩(wěn)定，交流干擾小，一般選1μF～10μF的退耦電容。

2.3確定開(kāi)關(guān)頻率

　　在PWM控制電路中，根據(jù)電路的短路特性確定開(kāi)關(guān)頻率。輸出短路時(shí)，為維持恒流工作方式，控制電路應(yīng)盡可能的減小占空比。理想狀態(tài)時(shí)，在規(guī)定的電壓調(diào)整率范圍內(nèi)應(yīng)能輸出105％的額定電流；短路時(shí)，則輸出115％的額定電流。若占空比太小，會(huì)產(chǎn)生輸出電流的拖尾現(xiàn)象，這就需要使用大功率的整流元件避免在過(guò)載時(shí)產(chǎn)生毀滅性電流。基于以上原因，考慮到厚膜電路的布局、變壓器、磁芯、功率器件及效率等因素，設(shè)置變換器的工作頻率為250 kHz。

2.4元件的選擇

　　元件的選取耐壓電壓是實(shí)際電壓的1.0～2倍，正向電流的1.5～2倍。

　　場(chǎng)效應(yīng)管選用IR公司的IRF7495(S0-8)，其主要參數(shù)為：VDSS=100 V，RDS(ON)=22 mΩ，VGS=10 V，ID=7.3 A，COSS=160 pF～980 pF(一般取240 pF)；整流二極管選用IR公司的12CWQ04FN (D-PAK T0-252AA)，其主要參數(shù)：IF=12 A，VR=40 V，VF=0.48 V,CT=405 pF。肖特基二極管都有寄生電容，并對(duì)這些電容充放電。采用大容量的整流元件可降低變換器效率。 2.5變壓器的設(shè)計(jì)

　　變換器采用諧振復(fù)位正激式變換器，一般正激式電路中，變壓器多采用磁復(fù)位線圈或箝位電路。諧振復(fù)位由MOS管的寄生電容和變壓器的磁化電感決定。也需考慮輸出二極管的電容。如圖3所示，變壓器的磁化電感對(duì)變壓器形成了并聯(lián)調(diào)制電路，其諧振頻率是由寄生元件決定，復(fù)位時(shí)間要盡可能短，要對(duì)鐵心完全復(fù)位，直到下一個(gè)開(kāi)關(guān)脈沖到來(lái)。復(fù)位時(shí)間取決于場(chǎng)效應(yīng)管和整流二極管的選擇。

　　圖4所示是5 V／3 A時(shí)MOS管的漏極波形，從圖中可知：漏感小，磁復(fù)位處理效果良好。

　　變壓器的磁芯選用TDK公司PC40，其主要參數(shù)為：高導(dǎo)磁率，居里溫度大于215℃，飽和磁通密度在電路設(shè)計(jì)中，一般取BS=1 600 GAS(高斯)。工作頻率為250 kHz,最大占空比為0.37～0.45,本應(yīng)用設(shè)計(jì)選用0.42。初級(jí)電感量為130 μH～160 μH，10匝，漏感要求小于1μH。計(jì)算變壓器次級(jí)線圈的匝數(shù)，輸出5 V，確認(rèn)與輸出電壓相串聯(lián)的損耗，包括：濾波電感、變壓器直流損耗、整流器正向壓降等。 


 
　　根據(jù)骨架的窗口尺寸、電流密度的要求，變壓器的參數(shù)設(shè)為初級(jí)為10匝，次級(jí)為9匝。采用并聯(lián)層繞方式以減少漏感。

2.6輸出電感

　　從電路理論得知：VL=Ldi／dt，VL=Ein-Eout

　　di=△IL(△IL取0.1～0.25 Iout)，L=(Ein-Eout)△t／△IL正激式變換器在最大轉(zhuǎn)換周期時(shí)Ein=2Eout，Toff=0.5T，所以：L=EoutToff／△IL=5 V×2μs／(0.2×5 A)=10μH。

　　根據(jù)電感量、電流密度要求。磁芯選用TDK公司PC40P11／7，骨架BP11／7-612，繞組為10匝，電感量為10 μH。

2.7布局考慮

　　主電流回路流經(jīng)輸入電容，變壓器，MOS管，電流采樣電阻，再流回輸入電容。為了避免噪聲注入其他電路，主電流回路布線應(yīng)盡可能短。

 
　　圖5為應(yīng)用PWM開(kāi)關(guān)控制(Si9114)設(shè)計(jì)的高頻DC-DC變換器的電路圖，其輸入電壓為16 VDC～40 VDC，額定值為28 VDC，輸出參數(shù)為5.0VDC／5 A；精度為±1.0％，功率為25 W，紋波為30 mW，負(fù)載電源調(diào)整率為300 mW。

3 結(jié)束語(yǔ)

　　該電路性能穩(wěn)定、可靠、結(jié)構(gòu)合理，已經(jīng)批量生產(chǎn)，可供各用戶使用。