雙路輸出正激式DC／DC變換器的設計

0引言

開關電源以其高效率、小體積等優(yōu)點已獲得了廣泛應用。而轉換器是開關電源中最重要的組成部分，轉換器有5種基本類型：單端正激式、單端反激式、推挽式、半橋式和全橋式轉換器。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撲結構。由于正激變換器使用無氣隙鐵心，電感值高，原邊和負邊峰值電流小，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構設計的雙路輸出(%26#177;6 V，1.5 A)DC／DC變換器的設計過程。

1電路工作原理

本變換器的電路原理框圖如圖1所示。當直流輸入電壓經過濾波電路進入輔助電源后，即由輔助電源給控制器供電，然后在控制器作用下，用開關管控制電流的通斷以形成高頻脈沖電流，再經高頻變壓器，使其在輸人為高(開關管接通)時整流二極管導通，從而使串聯電感為充電狀態(tài)，最后經濾波電路向負載傳送能量并輸出直流電壓；相反，在輸入低電平(開關管斷開)時，電感為放電狀態(tài)，電路將通過續(xù)流二極管繼續(xù)向負載釋放能量，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的是單向脈動電流，為避免磁性飽和，確保勵磁磁通在每一個開關周期開始時處于初始值，設計時必須使變壓器的鐵芯磁性復位。

2控制回路的設計

傳統(tǒng)的開關電源普遍采用電壓型脈寬調制(PWM)技術，而近年來，電流型PWM技術得到了飛速發(fā)展，本設計采用電流型控制器UC1843來實現控制回路。UC1843工作頻率可達500 kHz，并它具有大電流推拉式輸出，低啟動工作電流等特點。電路中在開關管通斷瞬間，必須供給柵極較大電流，并對柵源極間電容進行快速充放電，以使開關管高速工作。UC1843的輸出級為圖騰柱式，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關管的柵極，并驅動VMOS管高速工作。UC1843具有精度高、電壓穩(wěn)定、外圍電路簡單優(yōu)點。相比電壓型PWM，電流型PWM具有更好的電壓調整率和負載調整率，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)特性也有明顯的改善。

3雙路輸出設計

本設計中的雙路輸出部分電路如圖2所示。

由于該電路要求對稱輸出，故將正負兩路輸出濾波電感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系，這種連接方法可使2路輸出電流的變化量相互感應，從而在一定程度上改善2路輸出的調整率。

其次。也可將采樣比較器R1、R2直接跨接到正負電源的輸出端上。本設計的邏輯"地"不是電源的輸出地．而是以負電壓輸出端作為采樣比較和基準電壓的邏輯"地"電位。這樣，采樣誤差將同時反映出正、負2路輸出的電壓精度變化，并對正、負2路同樣存在有反饋作用，以在很大程度上改進2路輸出的調整率。

4變壓器設計

開關電源的設計主要分為兩部分，一是電路部分的設計。二是磁路部分的設計。開關電源變壓器是高頻開關電源的核心元件，必須進行合理設計才能達到理想效果。一般情況下，開關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和銅損。

(2)在高頻率下應有較低的功率損耗；因為變壓器高頻工作時會發(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)適中的磁導率；不同的相對磁導率適合于不同的工作頻率，比如相對磁導率為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的溫度。居里溫度值過低，高溫工作時會使磁心的飽和磁通密度嚴重跌落，從而影響正常工作。

為此，本電路根據工作頻率、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。其參數見表1所列。

實際繞制變壓器時，先根據計算所得的變壓器匝數比，以繞滿罐為原則來繞制變壓器，再在電路中根據輸出效率要求和工作電壓范圍，來觀察開關管漏極上的電壓波形，并對變壓器匝數進行適當調整。事實上，當電源初次級匝數比增大時，電源效率會提高，但電源正常工作最小輸入電壓也會升高，電路的工作范圍變窄；而當電源初次級匝數比減小時，電源正常工作最小輸入電壓降低，電路的工作范圍變寬，但效率會降低。圖3給出了不同匝數比時漏極上的電壓波形：

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

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

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

由此可見，匝數比增高，效率逐漸提高，但低端電壓逐漸上升，工作范圍變窄。本設計最后確定的初次級匝數比11：7：7。電感量為200：95：95，效率為80％。

5　磁復位設計

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，設計時應在開關功率管截止期間將高頻變壓器復位，并使增長的磁通和減小的磁通平衡，以防止變壓器磁芯飽利。

本電路在次級整流管兩端并聯了一個如圖5所示的RC網絡，以實現磁復位。該電路相比二極管加去磁繞組復位電路，其結構比較簡單。這樣，當開關關斷時，磁感應電流便可通過變壓器的次級繞組流出，并通過電容C使磁感應電流減至零。R，C取值時，C的電容量要足夠小，以便在最短的關斷時間內將磁感應電流衰減到零。而電阻R的電阻值則不能過小，電阻值過小會與內部寄生電感形成自激振蕩。磁復位時，要求在輸入電壓為最小值或最大值時，磁復位電路都能對高頻變壓器進行準確地復位。

6輸出紋波電壓的降低

為達到降低輸出紋波電壓的目的，設計時，首先要減小功率開關管的電壓尖峰。因為當VMOS管由導通變成截止時，在變壓器的一次繞組上就會產生尖峰電壓和感應電壓，其中尖峰電壓是由高頻變壓器漏感(即漏磁產生的自感)引起的，它與直流高壓和感應電壓疊加后很容易損壞VMOS管，故在設計時，要優(yōu)化功率變壓器的設計，減小變壓器初級漏感；第二，電路布線時要盡量減少VMOS各端點的連接線長度，特別是柵極引線，如果無法使引線縮短，可以靠近柵極處串聯一個小電阻，或者在漏級與地之間接上電容以減小振蕩，減低尖峰電壓；第三，應采用合適的RC吸收網絡，以減小功率開關管的電壓尖峰；此外，整流二極管在關斷時的反向恢復時間也會導致尖峰電流，從而造成紋波，因此，設計時要優(yōu)選反向恢復時間短的肖特基二極管來減小尖峰；最后，LC濾波電路要合理確定電感器的電感，應選用高可靠、溫度性能好的高頻獨石電容為濾波電容，以減小紋波電壓。

7結束語

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，裸芯片組裝，金屬全密封封裝，同時采用平行封焊工藝來保證產品的高可靠性，表2所列是其電路性能參數由表2可見，該產品輸出電壓穩(wěn)定，產品一致性好，同時具有體積小、重量輕、可靠性高、耐沖擊、組裝方便等優(yōu)點，完全滿足使用要求，可以應用于航空、航天、船舶等多項領域，以便為我國國防武器現代化提供保障。