Buck DC/DC變換器在星載開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用
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摘要:介紹了一款可用于星載開(kāi)關(guān)電源的Buck DC/DC變換器。為滿(mǎn)足星載開(kāi)關(guān)電源的需要,相對(duì)于傳統(tǒng)的BuckDC/DC變換器,該變換器在消浪涌電路、啟動(dòng)電路、驅(qū)動(dòng)電路、過(guò)流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)上做了一些改進(jìn),重點(diǎn)分析了其工作原理,并給出了相關(guān)設(shè)計(jì)公式。該變換器轉(zhuǎn)換效率高,可廣泛應(yīng)用于星載開(kāi)關(guān)電源。
關(guān)鍵詞:變換器;開(kāi)關(guān)電源;星載
1 引言
隨著我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展,星載開(kāi)關(guān)電源成為電源行業(yè)研究的一個(gè)新熱點(diǎn),相對(duì)于民用開(kāi)關(guān)電源,星載開(kāi)關(guān)電源在可靠性要求,器件選用等諸多方面有很大的不同。這里介紹了一款可用于星載開(kāi)關(guān)電源的Buck DC/DC變換器,該變換器相對(duì)于傳統(tǒng)的Buck DC/DC變換器在消浪涌電路、啟動(dòng)電路、驅(qū)動(dòng)電路、過(guò)流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)上做出改進(jìn),以滿(mǎn)足星載開(kāi)關(guān)電源在可靠性指標(biāo)上的要求。
2 電路設(shè)計(jì)
2.1 總體電路設(shè)計(jì)
Buck變換器輸入、輸出不隔離,穩(wěn)壓控制方式采用負(fù)載端直接采樣反饋控制方式。變換效率相對(duì)于隔離變換器要高出很多,同時(shí)電壓是降壓變換,要求脈寬調(diào)制器輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比大于50%,因此選用UCx843做為控制芯片。
2.2 主要功能電路及關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)
2.2.1 輸入浪涌電流抑制電路
作為一次電源直接用電負(fù)載的Buck變換器輸入端有濾波電容,在開(kāi)機(jī)加電瞬間由于濾波電容的充電,會(huì)有很大的瞬時(shí)輸入充電浪涌電流。輸入浪涌電流抑制電路是針對(duì)解決輸入濾波電容充電浪涌電流而設(shè)計(jì)的,電路原理如圖1所示。
電路基本原理是:輸入正線(xiàn)端串接N溝道MOSFET管(VQ1),R1和C1,C2組成的延時(shí)網(wǎng)絡(luò)向VQ1柵極加電,使得VQ1逐漸導(dǎo)通,利用MOSFET管的跨導(dǎo)特性給輸入濾波電容充電,以減小瞬時(shí)輸入充電浪涌電流。電路穩(wěn)態(tài)工作時(shí),VQ1工作于飽和區(qū)。考慮到RCC啟動(dòng)電路帶來(lái)的浪涌電流及EMC設(shè)計(jì)上的需要,將RCC啟動(dòng)電路放在輸入濾波電路后,加電后首先通過(guò)8 V繞組給MOSFET管柵極充電,使柵極電壓達(dá)到MOSFET管的閾值電壓,MOSFET管導(dǎo)通,MOSFET管源極只要能達(dá)到約20 V就能使RCC啟動(dòng)電路工作,從而通過(guò)RCC電路的輔助繞組提供柵-源間8 V的電壓。之所以將MOSFET管放在正線(xiàn)上是因?yàn)锽uck變換器輸入輸出不隔離,放在回線(xiàn)上的MOSFET管相當(dāng)于漏、源極短路,未能起到抑制浪涌電流的作用。VQ1柵-源的開(kāi)啟電壓為4.3 V,在7 V以上時(shí)達(dá)到全導(dǎo)通狀態(tài)。柵-源電壓由RCC啟動(dòng)電路8V輔助繞組獲得。
首先確定啟動(dòng)電容C1,C2的參數(shù),然后根據(jù)電容器的參數(shù),計(jì)算出R1的參數(shù)。在實(shí)際電路中,還要考慮后續(xù)電路的影響。因此,需根據(jù)實(shí)際情況,對(duì)電阻器的參數(shù)進(jìn)行必要的調(diào)整,使Buck變換器的輸入浪涌電流和啟動(dòng)特性達(dá)到設(shè)計(jì)要求。同時(shí)由于柵極電壓對(duì)地達(dá)到了50 V,因此在電容器的選擇上要考慮耐壓值。
2.2.2 輸入濾波電路
該電路是由差、共模電感和電容器組成的低通濾波電路,允許低頻的脈沖電流流過(guò),對(duì)頻率較高的噪聲干擾進(jìn)行抑制。其作用是防止Buck變換器本身產(chǎn)生的電磁干擾進(jìn)入一次母線(xiàn),同時(shí)防止一次電源母線(xiàn)上的干擾進(jìn)入Buck變換器內(nèi)部,影響B(tài)uck變換器的正常工作。電路原理框圖如圖2所示。
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變換器母線(xiàn)上的干擾按照其流動(dòng)路徑可以分為兩類(lèi):①在電源母線(xiàn)與回線(xiàn)之間流動(dòng)的具有一定功率的差模干擾;②通過(guò)空間感應(yīng)在電源母線(xiàn)、回線(xiàn)或其他部位同相位的微功率干擾。差模干擾的頻率主要集中在1 MHz以下,共模干擾的頻率主要在1 MHz以上。因此,對(duì)于這兩種不同形式的干擾,抑制方式是不同的。
圖中的C5/C6/C7,C40/C41/C42是濾除共模干擾用的Y電容,C8/C9,C10/C11是濾除差模干擾用的X電容,L1是共模電感器,L2是差模電感器。差模電感L=Etoff/0.1I,其中E為輸入電壓,toff為最大關(guān)斷時(shí)間,I為輸入電流。差模濾波電容C=I/(8f△U),f為開(kāi)關(guān)頻率,△U為允許的紋波峰值電壓。
為獲得良好的濾波效果,要求X和Y電容的引線(xiàn)必須盡可能短,選擇的貼片式電容器符合這一設(shè)計(jì)要求。此外,為減小變換器內(nèi)阻,提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性,在產(chǎn)品濾波電路參數(shù)設(shè)計(jì)與選擇時(shí),采用小電感,大電容。
2.2.3 RCC啟動(dòng)電路
該電路為單管自激振蕩電路,將輸入電壓隔離變換為穩(wěn)定的兩路輸出:12 V用于給UCx843供電;8 V用于抬高消浪涌VQ1的柵極電壓。Buck變換器穩(wěn)定工作后,啟動(dòng)電路輸入電壓Uin=(38~46)V,工作頻率f=100 kHz。該電路中啟動(dòng)變壓器采用MPP55045A2的磁環(huán)。初級(jí)繞組所需電感量為:
計(jì)算可得Ns1=68.8,取68匝。次級(jí)繞組2所需要的匝數(shù)Ns2=(us2Ns1/us1),計(jì)算可得Ns2=46.3,取46匝。反饋繞組所需要的匝數(shù)NB= UBNp/Umin,假定最低輸入電壓下三極管基極電壓UB=6 V,計(jì)算可得NB=17.4,取18匝。[!--empirenews.page--]
表1為輸出1帶30 mA負(fù)載,輸出2帶2 mA負(fù)載時(shí),實(shí)際實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的數(shù)據(jù)。
輸出1電壓為接UCx843時(shí)的電壓;輸出2電壓為接MOSFET管時(shí)電壓。
2.2.4 PWM控制電路
該電路由PWM及外圍的電阻、電容組成。其主要功能為:用于產(chǎn)生振蕩波,進(jìn)行穩(wěn)壓反饋、軟啟動(dòng)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)等多種功能,是DC/DC變換器的核心部分。在DC/DC變換器的設(shè)計(jì)中,開(kāi)關(guān)頻率確定為(200+50)kHz。
振蕩電路參數(shù)的計(jì)算公式為:
RTCT=k/f (6)
式中:RT,CT為振蕩電阻、電容;k為振蕩器充放電系數(shù)。
當(dāng)RT≥5 kΩ時(shí),k=1.72;當(dāng)RT<5 kΩ時(shí),k在0.6~0.65間取值。其中,CT取(4 700+100)pF,RT的參數(shù)范圍為1~2kΩ。
應(yīng)用該器件時(shí),主要采用以下技術(shù)措施:①降壓使用該器件(10~14 V),減小電壓應(yīng)力和功耗,提高使用可靠性:②外圍電路中的元件盡可能分布在該器件附近,減小電路分布參數(shù)的影響;③在印制電路板設(shè)計(jì)時(shí),使用平面地。
2.2.5 功率變換電路
該電路采用傳統(tǒng)的Buck電路。其作用是:將PWM電路產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行功率放大,使一次母線(xiàn)電壓/功率轉(zhuǎn)換成用電設(shè)備所需要的電壓/功率。Buck電路實(shí)際上就是Buck斬波器,輸出濾波電感L3的參數(shù)設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵,它既起濾波作用又起儲(chǔ)能作用,L3的表達(dá)式為:
L3=(Umax-Uo)Ton/(0.02Io) (7)
式中:Umax為輸入電壓最大值;Uo為輸出電壓額定值;Io為輸出額定電流。
經(jīng)計(jì)算L3=770 μH,假定Buck電路從連續(xù)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴贿B續(xù)狀態(tài)的臨界電流值是額定輸出電流的1%,即35mA。
在漆包線(xiàn)規(guī)格選擇上,主要考慮變換器的總功率和確定規(guī)格漆包線(xiàn)的過(guò)電流能力。DC/DC變換器的額定輸出功率為100 W(28.5 Vx3.5 A),選擇線(xiàn)徑為0.31mm的漆包線(xiàn)繞制。按5A/mm2的電流密度計(jì)算,L3需要φ0.31mm漆包線(xiàn)的并繞根數(shù)L=3.5/[5x(0.31/2)2π]=9.3,取L=10。
以上關(guān)于漆包線(xiàn)并繞根數(shù)的計(jì)算是在要求的額定電流下進(jìn)行的,需要說(shuō)明的是以上漆包線(xiàn)容許過(guò)電流的計(jì)算是按5 A/mm2的電流密度計(jì)算的,這是一個(gè)非常保守的取值,一般按8 A/mm2甚至10 A/mm2的電流密度計(jì)算。
2.2.6 過(guò)流保護(hù)電路
本電路方案的過(guò)流保護(hù)電路沒(méi)有采用電流采樣信號(hào)輸入到UC1843的ILIM端,利用該腳電流監(jiān)測(cè)端的功能,當(dāng)輸出負(fù)載大于設(shè)定的保護(hù)點(diǎn)時(shí),源端電流采樣信號(hào)在取樣電阻(或電流互感器)上的電壓大于1 V,PWM1843的輸出脈沖關(guān)閉,實(shí)現(xiàn)限流輸出。當(dāng)用過(guò)載現(xiàn)象消除后,DC/DC變換器自動(dòng)恢復(fù)輸出這一方案,原因是這一過(guò)流保護(hù)方案在輸出完全短路時(shí),電源自耗功過(guò)大,長(zhǎng)時(shí)間下可能將電源自身燒壞。因此,電流環(huán)僅起閉環(huán)調(diào)節(jié)的作用。
過(guò)流保護(hù)電路由電流互感器、三極管、電阻和電容組成。當(dāng)輸出負(fù)載大于設(shè)定的保護(hù)點(diǎn)時(shí),三極管導(dǎo)通,UC1843的COMP端被拉到地,脈寬調(diào)制器無(wú)輸出,電源實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù),當(dāng)用過(guò)載現(xiàn)象消除后,DC/DC變換器自動(dòng)恢復(fù)輸出。該過(guò)流保護(hù)電路的優(yōu)點(diǎn)是電源輸出長(zhǎng)時(shí)間處于短路狀態(tài),電源本身不會(huì)損壞。
2.2.7 過(guò)壓保護(hù)電路
發(fā)生過(guò)壓時(shí),電路通過(guò)降低消浪涌MOSFET的柵極電壓來(lái)增大MOSFET的漏-源導(dǎo)通電阻,從而實(shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)的功能。通過(guò)對(duì)電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)可知,電路很好地實(shí)現(xiàn)了過(guò)壓保護(hù)的功能。需要說(shuō)明的是過(guò)壓保護(hù)只考慮主功率MOSFET管短路一種情況。圖3示出UC1843輸出波形uco和RCC啟動(dòng)電路三極管集-射極電壓uce波形。
3 結(jié)論
介紹的42 V轉(zhuǎn)28 V Buck DC/DC變換器相對(duì)于隔離型開(kāi)關(guān)電源的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換效率高,可作為星載設(shè)備的二次母線(xiàn)使用,如果輸出整流電路采用同步整流技術(shù),轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到98%以上。