基于線性穩(wěn)壓電路的多路輸出DC/DC變換器的設(shè)計(jì)

文/賀啟峰

1 概述

隨著社會(huì)工業(yè)化進(jìn)程加快，電子產(chǎn)品功能越來(lái)越強(qiáng)大，產(chǎn)品的集成化、小型化已成為主流趨勢(shì)。在軍用或民用電子系統(tǒng)中，子模塊的數(shù)字單片系統(tǒng)的電源電壓通常是由+3.3V、+5V、±12V、±15V等多路組成。故以三路為代表的多路輸出DC/DC變換器在該類市場(chǎng)中占有一席之地。

在整機(jī)系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)者為減少整機(jī)體積，往往希望所用的DC/DC變換器能夠在最小的外殼內(nèi)實(shí)現(xiàn)最多的功能。多路輸出電源設(shè)計(jì)中，外殼尺寸通常是電源設(shè)計(jì)師的“緊箍”，故根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的電路方案尤為重要。

2 多路輸出DC/DC變換器電路設(shè)計(jì)方案對(duì)比

不同的電子系統(tǒng)對(duì)多路輸出DC/DC變換器的輸出電壓的組合搭配不同，每一路輸出的帶載能力的要求不同，所用的外殼尺寸不同，故所選用的電路設(shè)計(jì)方案亦不同。以三路輸出電源為例，目前大部分三路輸出電源設(shè)計(jì)方案都在以下四種類型中，如圖1所示。

方案一（圖1）：通用性極強(qiáng)，由于它是由兩個(gè)電源回路組成，主路與輔路的PWM、變壓器、反饋電路都是相互獨(dú)立的，使用同步方式以減少主輔路之間的相互干擾和降低輸出紋波峰值。此方案是多路輸出DC/DC變換器主流解決方案，而且可以實(shí)現(xiàn)高精度輸出，基本上能滿足各種條件下電性能指標(biāo)要求。但此方案使用的元器件數(shù)量很多，占用空間極大，不利于產(chǎn)品小型化，很難在小尺寸外殼內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

方案二（圖2）：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，占用外殼空間很小。由于輔路沒有穩(wěn)壓電路，其輸出電壓受主電路占空比控制，在不同負(fù)載條件下，輔路輸出電壓調(diào)整率較差，可用于輔路輸出電壓精度要求不高的場(chǎng)合。

圖1：雙調(diào)制器的三路輸出電源

圖2：主路帶輔路的三路輸出電源

圖3：輔路用線性穩(wěn)壓器的三路輸出電源

方案三（圖3）：在方案二的基礎(chǔ)上，輔路用到了線性穩(wěn)壓器調(diào)整輸出精度，彌補(bǔ)了方案二中的輔路不受控的缺陷，有利產(chǎn)品小型化。但常規(guī)線性穩(wěn)壓器的輸入電流通常不大，有一定限制且功率損耗大，會(huì)拉低電源整體效率。

方案四（圖4）：在方案三的基礎(chǔ)上，輔路用磁放大器電路代替線性穩(wěn)壓器，同樣可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓精確控制，而且磁放大器中的能量最終大部分都返回到電路中，提高了開關(guān)電源的總體效率。該方案使用的元器件不多，有利于產(chǎn)品小型化。不過(guò)，該方案適用于雙路輸出為主路，單路輸出為輔路的情況，且輔路最大帶載比重不可超過(guò)主路。而整機(jī)系統(tǒng)中，大部分多路電源的使用都是單路輸出為主路，雙路輸出為輔路。

以上四種方案各有優(yōu)劣，為了在滿足產(chǎn)品小型化的條件下，實(shí)現(xiàn)電源高效率，高精度輸出，這里給出了一種新的三路輸出DC/DC變換器解決方案：輔路采用線性穩(wěn)壓電路的三路輸出電源設(shè)計(jì)方案。

3 基于線性穩(wěn)壓電路的多路輸出DC/DC變換器設(shè)計(jì)思想

這里以三路輸出電源為例。線性穩(wěn)壓電路應(yīng)用在三路電源中時(shí)，電源采用主輔路設(shè)計(jì)方式。令主路為單路輸出，輔路為雙路輸出。如圖5所示，主路依然采用常規(guī)隔離反饋結(jié)構(gòu)，輔路采用線性穩(wěn)壓電路來(lái)自我調(diào)節(jié)。如此即滿足了輔路輸出受控的要求，又有利于產(chǎn)品小型化。而且線性穩(wěn)壓電路的輸入電流、輸出電壓、效率等指標(biāo)均可通過(guò)不同器件選擇來(lái)控制。該方案應(yīng)用靈活，可以很方便的拓展至三路以上輸出電源，或者主路為雙路輸出，輔路為單路的三路輸出電源中。

4 線性穩(wěn)壓電路在多路輸出DC/DC變換器中的具體應(yīng)用

采用圖5的方案，設(shè)計(jì)實(shí)際電路，并分析其工作原理。圖6為線性穩(wěn)壓電路原理圖，這里將線性穩(wěn)壓電路用在三路電源中的輔路雙路輸出部分。

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圖6中，N1A，N1B為比較放大器；R1、R2、R3、R4為取樣電阻；V1、V3為調(diào)整器，采用功率三極管。

正路輸出電壓通過(guò)取樣電阻R1、R2分壓，取樣電壓加在比較放大器N1A的反向相輸入端，與加在正向輸入端的基準(zhǔn)電壓Vref相比較，兩者差值通過(guò)N1A放大后控制串聯(lián)調(diào)整管V1的壓降，從而穩(wěn)定輸出電壓。由于V1為NPN功率三極管，為增大驅(qū)動(dòng)電流，在比較放大器與調(diào)整管之間增加三極管（V2）驅(qū)動(dòng)電路。

當(dāng)正路輸出過(guò)低時(shí)，基準(zhǔn)電壓與取樣電壓差值增大，N1A的輸出驅(qū)動(dòng)電流增加，串聯(lián)調(diào)整管V1壓降減小，從而使正路輸出升高。相反，若正路輸出過(guò)高，基準(zhǔn)電壓與取樣電壓差值減少，N1A的輸出驅(qū)動(dòng)電流減少，串聯(lián)調(diào)整管V1壓降升高，從而使正路輸出降低。

負(fù)路輸出通過(guò)取樣電阻R3、R4與正路相連，通常輔路雙路的輸出電壓絕對(duì)值相同，故取樣電阻R3=R4；而比較放大器N1B同相端的基準(zhǔn)電壓接到輸出地（0V）。

當(dāng)負(fù)路輸出絕對(duì)值過(guò)低時(shí)，基準(zhǔn)電壓與取樣電壓差值增大，N1B的輸出驅(qū)動(dòng)電流增加，串聯(lián)調(diào)整管V3壓降減小，從而使負(fù)路輸出絕對(duì)值升高。相反，若負(fù)路輸出絕對(duì)值過(guò)高，基準(zhǔn)電壓與取樣電壓差值減少，N1B的輸出驅(qū)動(dòng)電流減少，串聯(lián)調(diào)整管V3壓降升高，從而使負(fù)路輸出絕對(duì)值降低。

N1A輸出正電平驅(qū)動(dòng)NPN三極管控制正路輸出，而N1B輸出負(fù)電平驅(qū)動(dòng)PNP三極管控制負(fù)路輸出。因此，N1的供電正端接正電平Vcc，供電負(fù)端通過(guò)R9連接到輔路整流濾波輸出負(fù)端。

表1：主輔路帶載極限情況

表2：測(cè)試結(jié)果與SMTR28512T主要指標(biāo)對(duì)比

圖4：輔路用磁放大器的三路輸出電源

圖5：輔路用線性穩(wěn)壓電路的三路輸出電源結(jié)構(gòu)框圖

圖6：線性穩(wěn)壓電路原理圖

5 試驗(yàn)結(jié)果

將圖6電路具體應(yīng)用到實(shí)際產(chǎn)品中，以T512三路輸出DC/DC變換器為例，該產(chǎn)品的外殼尺寸為49×34×10mm3，輸出為+5V/4A、±12V/0.416A，以+5V輸出為主路，±12V輸出為輔路。采用線性穩(wěn)壓電路方案能夠在該外殼內(nèi)完成版圖設(shè)計(jì)，通過(guò)電性能測(cè)試對(duì)方案可行性進(jìn)行驗(yàn)證。

5.1 主輔路帶載極限情況

從表1可以看到，主路、輔路分別在5%-100%載變化時(shí)，電路均穩(wěn)定輸出，電流調(diào)整率均小于1%。因此，對(duì)于主輔路不同帶載條件下，采用該方案輸出穩(wěn)定性高。

5.2 輔路帶載極限情況

當(dāng)輔路一路負(fù)載以-10%負(fù)載為步進(jìn)條件，從90%負(fù)載步進(jìn)到10%，另一路相反，以10%負(fù)載為步進(jìn)條件，從10%負(fù)載步進(jìn)到90%，輔路的交叉調(diào)整率如圖7所示。

可以看到，輔路帶載極限情況下，輸出電壓的交叉調(diào)整率均小于0.5%。因此，對(duì)于輔路不平衡載條件下，采用該方案輸出穩(wěn)定性高。

5.3 輸出波形

圖7：輔路交叉調(diào)整率

圖8：三路輸出電壓波形

圖8為滿載時(shí)，輸出電壓波形，其中藍(lán)線為+12V路，紅線為-12V路，黃線為+5V路。

如圖8所示，采用該方案電路啟動(dòng)輸出單調(diào)上升，輸出穩(wěn)定。

5.4 參數(shù)對(duì)比

電路實(shí)測(cè)結(jié)果的主要參數(shù)指標(biāo)如表2所示，并與interpoint公司同類產(chǎn)品SMTR28512T進(jìn)行對(duì)比。

通過(guò)對(duì)比，該產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果基本上滿足SMTR28512T電性能指標(biāo)要求，而且一些指標(biāo)更優(yōu)。因此，該設(shè)計(jì)方案是可行的，合理的。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文首先對(duì)四種常用三路輸出電源設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比分析，給出了一種新的三路輸出DC/DC變換器解決方案：輔路采用線性穩(wěn)壓電路的三路輸出電源設(shè)計(jì)方案。然后，分析了該方案的設(shè)計(jì)思想，同時(shí)結(jié)合實(shí)際電路描述了線性穩(wěn)壓電路的工作過(guò)程。最后，通過(guò)具體產(chǎn)品對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證，并且給出測(cè)試數(shù)據(jù)及相關(guān)波形。測(cè)試結(jié)果證明線性穩(wěn)壓電路應(yīng)用于多路輸出電源是可行的，合理的，并且具有一定的優(yōu)越性。