雙路輸出正激式DC／DC變換器的設(shè)計(jì)

0引言

　　開(kāi)關(guān)電源以其高效率、小體積等優(yōu)點(diǎn)已獲得了廣泛應(yīng)用。而轉(zhuǎn)換器是開(kāi)關(guān)電源中最重要的組成部分，轉(zhuǎn)換器有5種基本類型：?jiǎn)味苏な健味朔醇な?、推挽式、半橋式和全橋式轉(zhuǎn)換器。在所有的DC／DC隔離變換器中，正激變換器是低電壓大電流功率變換器的首選拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于正激變換器使用無(wú)氣隙鐵心，電感值高，原邊和負(fù)邊峰值電流小，銅損小，所以變壓器利用率較高，輸出效率也很高；其次，正激變換器中輸出電感器和續(xù)流二極管的存在，也可以有效衰減紋波電流。為此，本文介紹了一種采用單端正激式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的雙路輸出(±6 V，1.5 A)DC／DC變換器的設(shè)計(jì)過(guò)程。

1電路工作原理

　　本變換器的電路原理框圖如圖1所示。當(dāng)直流輸入電壓經(jīng)過(guò)濾波電路進(jìn)入輔助電源后，即由輔助電源給控制器供電，然后在控制器作用下，用開(kāi)關(guān)管控制電流的通斷以形成高頻脈沖電流，再經(jīng)高頻變壓器，使其在輸人為高(開(kāi)關(guān)管接通)時(shí)整流二極管導(dǎo)通，從而使串聯(lián)電感為充電狀態(tài)，最后經(jīng)濾波電路向負(fù)載傳送能量并輸出直流電壓；相反，在輸入低電平(開(kāi)關(guān)管斷開(kāi))時(shí)，電感為放電狀態(tài)，電路將通過(guò)續(xù)流二極管繼續(xù)向負(fù)載釋放能量，并輸出直流電壓。為了保持電壓穩(wěn)定，兩路輸出電壓經(jīng)取樣、隔離反饋電路送到控制器后將使輸出脈沖寬度隨輸出電壓的變化而變化，從而穩(wěn)定輸出電壓。由于變壓器原邊繞組通過(guò)的是單向脈動(dòng)電流，為避免磁性飽和，確保勵(lì)磁磁通在每一個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始時(shí)處于初始值，設(shè)計(jì)時(shí)必須使變壓器的鐵芯磁性復(fù)位。

2控制回路的設(shè)計(jì)

　　傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源普遍采用電壓型脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)，而近年來(lái)，電流型PWM技術(shù)得到了飛速發(fā)展，本設(shè)計(jì)采用電流型控制器UC1843來(lái)實(shí)現(xiàn)控制回路。UC1843工作頻率可達(dá)500 kHz，并它具有大電流推拉式輸出，低啟動(dòng)工作電流等特點(diǎn)。電路中在開(kāi)關(guān)管通斷瞬間，必須供給柵極較大電流，并對(duì)柵源極間電容進(jìn)行快速充放電，以使開(kāi)關(guān)管高速工作。UC1843的輸出級(jí)為圖騰柱式，輸出電流為1 A。它不必增加任何外圍電路，就可將其直接接到開(kāi)關(guān)管的柵極，并驅(qū)動(dòng)VMOS管高速工作。UC1843具有精度高、電壓穩(wěn)定、外圍電路簡(jiǎn)單優(yōu)點(diǎn)。相比電壓型PWM，電流型PWM具有更好的電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性也有明顯的改善。

3雙路輸出設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)中的雙路輸出部分電路如圖2所示。

　　由于該電路要求對(duì)稱輸出，故將正負(fù)兩路輸出濾波電感L1、L2繞制在同一磁芯上，并采用雙線并繞的方法來(lái)保證L1、L2電感量完全相同。線路在接人方法上采用了差模相位關(guān)系，這種連接方法可使2路輸出電流的變化量相互感應(yīng)，從而在一定程度上改善2路輸出的調(diào)整率。
其次。也可將采樣比較器R1、R2直接跨接到正負(fù)電源的輸出端上。本設(shè)計(jì)的邏輯"地"不是電源的輸出地．而是以負(fù)電壓輸出端作為采樣比較和基準(zhǔn)電壓的邏輯"地"電位。這樣，采樣誤差將同時(shí)反映出正、負(fù)2路輸出的電壓精度變化，并對(duì)正、負(fù)2路同樣存在有反饋?zhàn)饔?，以在很大程度上改進(jìn)2路輸出的調(diào)整率。

4變壓器設(shè)計(jì)

　　開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)主要分為兩部分，一是電路部分的設(shè)計(jì)。二是磁路部分的設(shè)計(jì)。開(kāi)關(guān)電源變壓器是高頻開(kāi)關(guān)電源的核心元件，必須進(jìn)行合理設(shè)計(jì)才能達(dá)到理想效果。一般情況下，開(kāi)關(guān)電源變壓器的選用原則如下：

　　(1)要有較高的飽和磁通密度BS和較低的剩余磁通密度Br，以減少變壓器的匝數(shù)和銅損。

　　(2)在高頻率下應(yīng)有較低的功率損耗；因?yàn)樽儔浩鞲哳l工作時(shí)會(huì)發(fā)熱而造成磁心損耗，從而影響電源輸出效率，造成波形畸變等不良后果。

　　(3)適中的磁導(dǎo)率；不同的相對(duì)磁導(dǎo)率適合于不同的工作頻率，比如相對(duì)磁導(dǎo)率為2000的材料，其適用頻率在300 kHz～500 kHz。

　　(4)較高的居里溫度；居里溫度是使磁性材料失去磁特性時(shí)的溫度。居里溫度值過(guò)低，高溫工作時(shí)會(huì)使磁心的飽和磁通密度嚴(yán)重跌落，從而影響正常工作。

　　為此，本電路根據(jù)工作頻率、輸出功率、模塊體積等要求，選用磁心規(guī)格為PC40-P11／7Z-52H的TDK磁性材料。其參數(shù)見(jiàn)表1所列。

　　實(shí)際繞制變壓器時(shí)，先根據(jù)計(jì)算所得的變壓器匝數(shù)比，以繞滿罐為原則來(lái)繞制變壓器，再在電路中根據(jù)輸出效率要求和工作電壓范圍，來(lái)觀察開(kāi)關(guān)管漏極上的電壓波形，并對(duì)變壓器匝數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。事實(shí)上，當(dāng)電源初次級(jí)匝數(shù)比增大時(shí)，電源效率會(huì)提高，但電源正常工作最小輸入電壓也會(huì)升高，電路的工作范圍變窄；而當(dāng)電源初次級(jí)匝數(shù)比減小時(shí)，電源正常工作最小輸入電壓降低，電路的工作范圍變寬，但效率會(huì)降低。圖3給出了不同匝數(shù)比時(shí)漏極上的電壓波形：

　　其中圖3(a)是變壓器初次級(jí)匝數(shù)比為8：7：7，初次級(jí)電感量比為110：95，：95的波形，此時(shí)的電路輸出效率為75％，最小輸入電壓為14 V；

　　圖3(b)是變壓器匝數(shù)比為10：7：7，初次級(jí)電感量比為180μ：95μ：95μ時(shí)的電壓波形，此時(shí)的電路輸出效率為78％，最小輸入電壓為16 V

　　圖3(c)是變壓器匝數(shù)比為13：7：7，初次級(jí)電感量比為246μ：95μ：95μ時(shí)的電壓波形，此時(shí)的電路輸出效率為81％，最小輸入電壓為20 V

　　由此可見(jiàn)，匝數(shù)比增高，效率逐漸提高，但低端電壓逐漸上升，工作范圍變窄。本設(shè)計(jì)最后確定的初次級(jí)匝數(shù)比11：7：7。電感量為200：95：95，效率為80％。

5磁復(fù)位設(shè)計(jì)

　　本電路中變壓器的工作方式為單端正激式，變壓器磁心工作在磁滯回線的第一象限，如圖4所示，為了確保變壓器在磁化曲線的線性區(qū)工作，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在開(kāi)關(guān)功率管截止期間將高頻變壓器復(fù)位，并使增長(zhǎng)的磁通和減小的磁通平衡，以防止變壓器磁芯飽利。

　　本電路在次級(jí)整流管兩端并聯(lián)了一個(gè)如圖5所示的RC網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)磁復(fù)位。該電路相比二極管加去磁繞組復(fù)位電路，其結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。這樣，當(dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，磁感應(yīng)電流便可通過(guò)變壓器的次級(jí)繞組流出，并通過(guò)電容C使磁感應(yīng)電流減至零。R，C取值時(shí)，C的電容量要足夠小，以便在最短的關(guān)斷時(shí)間內(nèi)將磁感應(yīng)電流衰減到零。而電阻R的電阻值則不能過(guò)小，電阻值過(guò)小會(huì)與內(nèi)部寄生電感形成自激振蕩。磁復(fù)位時(shí)，要求在輸入電壓為最小值或最大值時(shí)，磁復(fù)位電路都能對(duì)高頻變壓器進(jìn)行準(zhǔn)確地復(fù)位。

6輸出紋波電壓的降低

　　為達(dá)到降低輸出紋波電壓的目的，設(shè)計(jì)時(shí)，首先要減小功率開(kāi)關(guān)管的電壓尖峰。因?yàn)楫?dāng)VMOS管由導(dǎo)通變成截止時(shí)，在變壓器的一次繞組上就會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓和感應(yīng)電壓，其中尖峰電壓是由高頻變壓器漏感(即漏磁產(chǎn)生的自感)引起的，它與直流高壓和感應(yīng)電壓疊加后很容易損壞VMOS管，故在設(shè)計(jì)時(shí)，要優(yōu)化功率變壓器的設(shè)計(jì)，減小變壓器初級(jí)漏感；第二，電路布線時(shí)要盡量減少VMOS各端點(diǎn)的連接線長(zhǎng)度，特別是柵極引線，如果無(wú)法使引線縮短，可以靠近柵極處串聯(lián)一個(gè)小電阻，或者在漏級(jí)與地之間接上電容以減小振蕩，減低尖峰電壓；第三，應(yīng)采用合適的RC吸收網(wǎng)絡(luò)，以減小功率開(kāi)關(guān)管的電壓尖峰；此外，整流二極管在關(guān)斷時(shí)的反向恢復(fù)時(shí)間也會(huì)導(dǎo)致尖峰電流，從而造成紋波，因此，設(shè)計(jì)時(shí)要優(yōu)選反向恢復(fù)時(shí)間短的肖特基二極管來(lái)減小尖峰；最后，LC濾波電路要合理確定電感器的電感，應(yīng)選用高可靠、溫度性能好的高頻獨(dú)石電容為濾波電容，以減小紋波電壓。

7結(jié)束語(yǔ)

　　本文介紹的雙路輸出正激式DC／DC變換器采用厚膜混合集成電路技術(shù)，裸芯片組裝，金屬全密封封裝，同時(shí)采用平行封焊工藝來(lái)保證產(chǎn)品的高可靠性，表2所列是其電路性能參數(shù)由表2可見(jiàn)，該產(chǎn)品輸出電壓穩(wěn)定，產(chǎn)品一致性好，同時(shí)具有體積小、重量輕、可靠性高、耐沖擊、組裝方便等優(yōu)點(diǎn)，完全滿足使用要求，可以應(yīng)用于航空、航天、船舶等多項(xiàng)領(lǐng)域，以便為我國(guó)國(guó)防武器現(xiàn)代化提供保障。