高性能混合集成DC/DC變換器設(shè)計

　　1引言

　　隨著航天航空等電子工程系統(tǒng)小型化技術(shù)的發(fā)展，整機(jī)電源供電系統(tǒng)開始采用由混合集成DC/DC電源變換器構(gòu)成的分布式供電設(shè)計方案，取代傳統(tǒng)的由分立元器件組成的電源集中供電方式。軍用混合集成DC/DC電源變換器以其體積小、重量輕、功率密度高、效率高、可靠性高等特點(diǎn)，被廣泛用于軍事電子控制系統(tǒng)。雙路輸出是DC/DC電源變換器常有的輸出形式，通常，其輸出有主副路之分，對雙路輸出的每路1有一定的要求，諸如雙路輸出負(fù)載平衡或副路加載時主路不能空載等要求，即存在所謂的交叉調(diào)整率問題，使雙路輸出DC/DC變換器的使用受到限制。而在一些特定的場合，要求DC/DC變換器雙路輸出沒有主副路之分，相互獨(dú)立輸出。本文主要介紹低紋波雙路輸出DC/DC電源變換器的設(shè)計思想、實現(xiàn)方法及研究結(jié)果。

　　2方案設(shè)計

　　根據(jù)雙路獨(dú)立輸出的特殊要求，經(jīng)過對雙路輸出DC/DC變換器拓?fù)溥M(jìn)行深入分析研究，確定實現(xiàn)雙路獨(dú)立輸出DC/DC變換器的電路方案。實現(xiàn)雙路輸出DC/DC變換器有以下4種電路方案，它們的電原理框圖分別如圖1、圖2、圖3、圖4所示。

　　圖1 方案1的電原理框圖

　　圖2 方案2的電原理框圖

　　圖3 方案3的電原理框圖

　　圖4 方案4的電原理框圖

　　方案1是1路輸出采用反饋實現(xiàn)穩(wěn)壓，另1路采用后穩(wěn)壓的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；方案2是兩路輸出均采用后穩(wěn)壓的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；方案3是兩路輸出的差值采樣，經(jīng)光耦隔離反饋，實現(xiàn)兩路輸出穩(wěn)壓的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；方案4是兩路輸出的差值采樣，經(jīng)變壓器隔離反饋，實現(xiàn)兩路輸出穩(wěn)壓的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　這4種方案的高頻變壓器輸入側(cè)部分電路形式基本相同，所不同的是輸出反饋方式和路徑。表1為4種方案的特點(diǎn)對比，從中可知方案2具有雙路獨(dú)立輸出、交叉調(diào)整率為零的特點(diǎn)。

　　表1 4種方案的特點(diǎn)對比

　　3電路設(shè)計

　　3.1方案2的設(shè)計特點(diǎn)

　　方案2采用UC1825A雙端輸出PWM控制電路，功率開關(guān)采用雙端推挽結(jié)構(gòu)，輸入濾波采用π型濾波器，啟動電路采用串聯(lián)線性穩(wěn)壓電路向UC1825A供電。在高頻變壓器輸入側(cè)把高頻變壓器的1路輸出繞組整流濾波作為輔助電源，切換啟動電路向UC1825A 供電，輔助電源同時作為預(yù)穩(wěn)壓電路反饋到UC1825A控制電路的誤差電壓控制端，控制UC1825A的輸出脈沖寬度，構(gòu)成UC1825A、功率開關(guān)、高頻變壓器、輔助電源及預(yù)穩(wěn)壓電路的閉環(huán)控制回路，實現(xiàn)輔助電源的穩(wěn)壓控制，從而實現(xiàn)輸入電壓Vi變化時正負(fù)雙路輸出的預(yù)穩(wěn)壓控制。正負(fù)兩路輸出均采用全波整流、兩級LC濾波，并分別采用1個串聯(lián)線性穩(wěn)壓器，實現(xiàn)負(fù)載變化時低紋波輸出電壓的穩(wěn)壓控制。

　　方案2是自主設(shè)計開發(fā)的，國內(nèi)外目前尚未見到此種DC/DC變換器設(shè)計方案的報道。

　　3.2 控制回路設(shè)計

　　在高頻變壓器輸入側(cè)增設(shè)1個次級繞組，該次級繞組電壓經(jīng)整流濾波后，取樣反饋到UC1825A控制電路誤差放大器的反相輸入端，構(gòu)成閉環(huán)控制回路，使輸入電壓變化時該次級繞組電壓穩(wěn)定不變。

　　閉環(huán)控制回路的穩(wěn)定性是整個DC/DC變換器系統(tǒng)正常工作必不可少的條件。由于存在濾波電感、電容相移環(huán)節(jié)，經(jīng)過取樣、放大、比較、脈寬調(diào)制后，就會在某個頻率上滿足回路增益A》1、正反饋的條件，造成閉環(huán)回路的不穩(wěn)定。因此必須加入適當(dāng)?shù)男Ｕh(huán)節(jié)，使閉環(huán)回路穩(wěn)定工作。圖5為在誤差放大器的輸入端加入校正網(wǎng)絡(luò)，在誤差放大器輸入、輸出之間加入校正網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成比例積分有源校正電路的等效閉環(huán)回路。

　　圖5 等效閉環(huán)控制回路

　　圖6為閉環(huán)回路的幅頻、相頻特性示意圖。由此圖可知，在低頻段，環(huán)路增益較高，有利于降低穩(wěn)態(tài)誤差，在高頻段，環(huán)路增益降低，回路有充分的相位余量，有利于閉環(huán)回路穩(wěn)定工作。閉環(huán)回路的相位余量為100°，因此閉環(huán)回路工作是非常穩(wěn)定的。

　　3.3 低輸出紋波電壓設(shè)計

　　選用肖特基整流管，減小整流管反向恢復(fù)時間造成的輸出紋波電壓尖峰；優(yōu)化功率變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計，減小變壓器初級漏感；采用合適的RC吸收網(wǎng)絡(luò)，減小功率開關(guān)管的電壓尖峰；采用兩級LC濾波技術(shù)，合理選用輸出濾波電感器、電容器，達(dá)到降低輸出紋波電壓的目的，使輸出紋波電壓典型值為10mV（峰峰值）。

　　圖6 環(huán)路幅頻和相頻特性

　　3.4高轉(zhuǎn)換效率設(shè)計

　　轉(zhuǎn)換效率是混合集成DC/DC電源變換器長期高可靠工作的重要指標(biāo)。在電路設(shè)計中，提高轉(zhuǎn)換效率、減少熱源熱量的產(chǎn)生尤為重要。經(jīng)合理設(shè)計開關(guān)頻率，合理選用功率開關(guān)器件和整流二級管，精心設(shè)計功率開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖上升沿時間，精心設(shè)計高頻變壓器的各繞組匝數(shù)和線徑，采用電流互感器檢測電流反饋信號實現(xiàn)過流保護(hù)，使轉(zhuǎn)換效率達(dá)85%以上。

　　在大功率DC/DC電源模塊中，采用電流互感器檢測輸入側(cè)電流反饋信號實現(xiàn)過流保護(hù)，可減小電流檢測電路的損耗，提高效率。圖7為電流互感器檢測電流反饋信號的電原理圖。

　　圖7 電流互感器檢測電流反饋信號的電原理圖

　　4可靠性設(shè)計

　　采用降額設(shè)計技術(shù)，對VDMOS功率開關(guān)管、肖特基整流管、功率變壓器等電應(yīng)力和熱應(yīng)力較大的元器件進(jìn)行降額設(shè)計。

　　VDMOS功率開關(guān)管的降額設(shè)計主要是對VDMOS功率開關(guān)管的源漏導(dǎo)通電流IDS、源漏擊穿電壓BVDS進(jìn)行降額設(shè)計，應(yīng)符合I級降額設(shè)計要求。

　　肖特基整流管的降額設(shè)計主要是對肖特基整流管正向平均電源ID、反向電壓BVR進(jìn)行降額設(shè)計，應(yīng)符合I級降額設(shè)計要求。

　　功率變壓器的降額設(shè)計主要是對功率變壓器在常溫、高溫（125℃）時的最高工作磁通密度Bm進(jìn)行降額設(shè)計，應(yīng)符合I級降額設(shè)計要求。

　　采用分片式版圖設(shè)計，大面積采用厚膜Al2O3陶瓷基板，局部用高導(dǎo)熱率的BeO陶瓷作為主要熱源器件VDMOS開關(guān)功率管IRFC230和肖特基整流二極管8TQ100的基板，將主變壓器PC40P18/11Z和輸出濾波電感器PC40P18/11A250直接粘結(jié)在金屬底座上，并使以上熱源元器件均勻地分布在管座四周邊緣，減少對非熱源元器件的影響，保證熱分布均勻，熱梯度小，避免熱量集中、出現(xiàn)局部過熱點(diǎn)，以利于電路內(nèi)部向外界散熱。

　　在電路設(shè)計中，增加輸出過流保護(hù)設(shè)計，提高電路的可靠性。

　　在電路設(shè)計中提高轉(zhuǎn)換效率、減少功耗、減少熱源熱量的產(chǎn)生，減少電路內(nèi)部溫升，提高電路的可靠性。在工藝制作中采用導(dǎo)熱性能好的冷軋鋼金屬管殼，采用厚膜Al2O3陶瓷基板、BeO陶瓷基板，采用再流焊、燒結(jié)低熱阻工藝技術(shù)，降低各級熱阻，減少電路內(nèi)部溫升，提高電路的可靠性。

　　采用再流焊工藝將輸入濾波陶瓷電容器和輸出濾波鉭電容器等體積較大的元件粘貼在Al2O3基板上，并用環(huán)氧樹脂對這些體積較大的元件進(jìn)行加固處理，增強(qiáng)電路的抗機(jī)械沖擊性能。

　　采用干燥氮?dú)獗Ｗo(hù)下的無應(yīng)力平行封焊管殼封裝工藝，水汽等殘余氣體含量極少，封裝氣密性好，避免封裝對Al2O3、BeO陶瓷基板造成的機(jī)械應(yīng)力，避免產(chǎn)生多余物，保證可靠性指標(biāo)要求。

　　5研究結(jié)果

　　根據(jù)以上設(shè)計思想，設(shè)計實現(xiàn)了雙路獨(dú)立輸出±15V/1.5A（45W）混合集成DC/DC變換器HB2815D45。該產(chǎn)品通過了環(huán)境溫度+85℃高溫滿載功率老化、變頻振動（加電監(jiān)測）等質(zhì)量一致性檢驗考核，其性能指標(biāo)及質(zhì)量等級達(dá)到軍用G類DC/DC電源變換器水平，在設(shè)計定型時被一致認(rèn)為“達(dá)到國際先進(jìn)水平”。表2為HB2815D45與Interpoint公司生產(chǎn)的MTW2815D的性能對照表。