陳 俊，陳 瑜，喬 歡，溫博超

（陜西華經(jīng)微電子股份有限公司 微電路事業(yè)部，陜西 西安 710065）

1 概 述

近年來(lái)隨著軍工領(lǐng)域的拓展，人們對(duì)高性能、小體積及高功率密度的DC/DC變換器的需求日益增長(zhǎng)，國(guó)外某XXX系列電源產(chǎn)品憑借性能優(yōu)良、可靠性高以及適用范圍廣等優(yōu)勢(shì)在國(guó)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。但用戶在使用中發(fā)現(xiàn)該系列產(chǎn)品出現(xiàn)問題時(shí)無(wú)法追蹤，而且成本高、采購(gòu)困難，尤其軍用產(chǎn)品甚至有可能被禁運(yùn)?；诖?，陜西華經(jīng)微電子股份有限公司自主立項(xiàng)研發(fā)了高功率密度新型DC/DC變換器模塊，以打破封鎖，保障供應(yīng)。該模塊在體積和電性能上同國(guó)外某款XXX電源相當(dāng)，并且優(yōu)于國(guó)內(nèi)同型號(hào)產(chǎn)品。

2 300 W DC/DC變換器技術(shù)性能指標(biāo)

300 W DC/DC變換器技術(shù)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 300 W DC/DC變換器技術(shù)性能指標(biāo)

3 300 W DC/DC變換器設(shè)計(jì)

該產(chǎn)品采用同步整流有源鉗位正激式DC/DC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為了防止高端輸入時(shí)同步整流的MOSFET柵極上的電壓過高，改用從二次繞組中增加驅(qū)動(dòng)繞組的方式。該方式可以有效調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)同步整流的MOSFET柵極電壓，使MOSFET柵極電壓處在合理區(qū)域，從而保護(hù)了MOSFET，提高了電源的可靠性。采用光耦隔離反饋，將輸入電壓經(jīng)過內(nèi)部變壓器轉(zhuǎn)變成28 V電壓輸出，通過誤差反饋對(duì)輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)定控制，通過濾波電路對(duì)輸出紋波進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。

根據(jù)XXX系列電源MCOTS28的主要技術(shù)性能指標(biāo)和成熟工藝以及電源設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過周密思考并查閱大量有關(guān)資料，結(jié)合電路原理和體積的要求，采用平面變壓器多層PCB板扣磁技術(shù)。多層印制板集成在一起，線圈距離更小、散熱面積更大、漏感小、直流電阻小且分布電容也較小，提高了功率密度和產(chǎn)品效率，更適合批量生產(chǎn)。

采用輔助繞組驅(qū)動(dòng)方案，與副邊繞組直接驅(qū)動(dòng)方案相比，同步管的損耗減小了，效率得到提高。當(dāng)輸出中高壓時(shí)，副邊繞組電壓較高，如果直接驅(qū)動(dòng)同步管就會(huì)導(dǎo)致同步管的門極損壞。電路原理如圖1所示。

圖1 電路原理圖

3.1 輸出短路保護(hù)設(shè)計(jì)

該模塊電源的輸出短路保護(hù)電路由電流互感器和取樣分壓電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)。電流互感器的作用是將功率開關(guān)管上的電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，輸入IC2的引腳3，限制截止調(diào)制器脈寬，對(duì)電源起到保護(hù)作用。電流互感器的功率為純功耗，因此初級(jí)匝數(shù)較少，內(nèi)阻較小。本次設(shè)計(jì)選用初、次級(jí)匝比為1∶100的電流互感器。LM5025A提供兩種電流保護(hù)模式，即逐周保護(hù)和打嗝保護(hù)。

逐周保護(hù)是電流取樣信號(hào)逐周關(guān)斷驅(qū)動(dòng)輸出，即提前關(guān)斷每一周期，減小功率MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了限流保護(hù)，是一種峰值電流控制方式。限流保護(hù)后輸出電壓會(huì)掉一些，但是電源仍有輸出，適合短期輕過載不斷輸出的工作模式。

打嗝保護(hù)是一旦檢測(cè)到輸出存在嚴(yán)重過流和短路現(xiàn)象便會(huì)關(guān)斷電路輸出若干時(shí)間，然后通過軟啟動(dòng)來(lái)重新啟動(dòng)電路，如果過流現(xiàn)象依然存在，則繼續(xù)關(guān)斷電路輸出。由于打嗝保護(hù)限制的時(shí)間更長(zhǎng)，會(huì)關(guān)掉若干周期，因此出現(xiàn)持續(xù)嚴(yán)重過流的情況時(shí)可以顯著減小輸入平均電流，減少過流時(shí)的芯片和電路元器件損耗，從而大大降低了電源模塊在負(fù)載嚴(yán)重過載和短路時(shí)的熱應(yīng)力。在過流期間，DC/DC變換器輸出電壓幾乎為零，可以有效防止嚴(yán)重過載和短路對(duì)模塊造成的傷害，也避免了負(fù)載故障的進(jìn)一步擴(kuò)大，在過流現(xiàn)象消除后可以自恢復(fù)。

本次設(shè)計(jì)利用了雙模式，將反饋信號(hào)同時(shí)接到LM5025A的3腳和4腳,輕過載條件下觸發(fā)逐周保護(hù)模式，嚴(yán)重過載時(shí)觸發(fā)打嗝保護(hù)模式，通過調(diào)節(jié)所接電阻的值來(lái)嚴(yán)格控制保護(hù)的程度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)DC/DC變換器更好的保護(hù)。

3.2 功率變壓器設(shè)計(jì)

變壓器磁芯需要通過DC/DC變換器的傳輸功率來(lái)選擇，本設(shè)計(jì)中輸出功率P0為300 W，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，選擇磁芯材料型號(hào)為RM2.3KD，磁芯的AP值可以使用AP法來(lái)進(jìn)行計(jì)算：

式中，Aw為磁芯的有效窗口面積，單位為cm2；Ae為磁芯的有效截面積，單位為cm2；ΔB為磁通密度變化量，取0.22 T；P0為輸出功率，取300 W；fT為變壓器工作頻率，取220 kHz；K為系數(shù)，取0.014。

由TDK手冊(cè)可知，PC44磁材的EE22磁芯AP=Aw×Ae=0.79 cm2×0.38 cm2≈ 0.3 cm4，可以滿足輸出功率和體積的要求。

變壓器初級(jí)繞組的匝數(shù)可以由法拉第電磁感應(yīng)定律計(jì)算：

取整數(shù)3匝。

次級(jí)匝數(shù)計(jì)算根據(jù)正激式工作原理，輸入電壓和輸出電壓的關(guān)系為：

則次級(jí)匝數(shù)為：

取整數(shù)8匝。

3.3 鉗位電容設(shè)計(jì)

鉗位電容值的選取原則是：由鉗位電容CCL和變壓器的勵(lì)磁電感所組成的諧振電路的時(shí)間常數(shù)比主開關(guān)管關(guān)斷時(shí)的最長(zhǎng)時(shí)間還要再長(zhǎng)一些?？紤]裕量設(shè)計(jì)，一般選取二者之間存在大約10倍的關(guān)系，即：

式中，Lm為變壓器初級(jí)電感量。由此可推出：

式中，f為工作頻率；Dmin為占空比。結(jié)合實(shí)際調(diào)試情況，設(shè)計(jì)選擇鉗位電容0.22 μF。

3.4 輸出濾波電路的設(shè)計(jì)

在DC/DC變換器的高頻整流輸出電路中，通常采用電感輸入式濾波器，即由電感和輸出濾波電容構(gòu)成的LC型濾波器。電容在高頻下呈現(xiàn)很小的容抗，電感線圈在高頻下呈現(xiàn)很高的感抗，從而能夠有效抑制輸出電壓紋波，起到平滑直流輸出電壓的作用，使DC/DC變換器輸出盡可能穩(wěn)定。輸出濾波電感是個(gè)儲(chǔ)能電感，在續(xù)流階段電源的輸出功率是由電感中所儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)化而來(lái)的。其值可以由公式求出，輸出濾波電容上的電壓紋波要求是≤420 mV，電容最小值約為 81 μF。

4 產(chǎn)品性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

產(chǎn)品完成后進(jìn)行一系列的產(chǎn)品性能指標(biāo)測(cè)試，將3塊產(chǎn)品主要數(shù)據(jù)與XXX系列同功率電源進(jìn)行指標(biāo)對(duì)比，具體見表2。

表2 XXX系列同功率電源與HSC2828S300M主要指標(biāo)對(duì)比

由表2可知，該產(chǎn)品電性能指標(biāo)均符合要求，且優(yōu)于XXX系列電源。

5 結(jié) 論

綜上所述，XXX系列300 W的DC/DC變換器在電特性上可完全替代XXX系列電源，并且該產(chǎn)品經(jīng)檢測(cè)和試用，各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)均能滿足用戶使用要求，得到了用戶認(rèn)可。該產(chǎn)品已經(jīng)開始小批量訂貨，可推廣到其他領(lǐng)域，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。