一款寬范圍高壓輸入厚膜DC/DC變換器設(shè)計(jì)

金陽(yáng) 韓志康

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十三研究所 安徽省合肥市 230088）

隨著航天、航空電子系統(tǒng)性能的不斷提高，電子系統(tǒng)對(duì)高效率、高可靠、寬輸入高壓DC/DC變換器的需求日益迫切。對(duì)于航天、航空高壓供電系統(tǒng)，其工作時(shí)供電電壓會(huì)存在過(guò)壓或者欠壓浪涌尖峰輸入，可能使DC/DC變換器工作出現(xiàn)異常，甚至燒毀，嚴(yán)重影響高壓供電系統(tǒng)的可靠性。

目前常用的解決方案是在輸入供電線(xiàn)路中加入浪涌抑制電路來(lái)減小電壓波動(dòng)干擾，保證DC/DC變換器供電電壓穩(wěn)定在可靠范圍之內(nèi)。但上述電路方案拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、電路占用空間大，已經(jīng)難以滿(mǎn)足電子系統(tǒng)小型化和高效率的要求。因此，研制超過(guò)4:1輸入電壓范圍的高壓輸入DC/DC變換器是解決上述問(wèn)題的有效技術(shù)途徑。同時(shí)，航天、航空電子系統(tǒng)仍存在大量28V供電需求為內(nèi)部控制電路和驅(qū)動(dòng)電路供電，迫切需要寬范圍高壓輸入、28V輸出的DC/DC變換器。

為了保證DC/DC變換器高可靠，采用厚膜混合集成工藝，結(jié)合平面磁性器件集成技術(shù)和厚膜高壓絕緣技術(shù)，研制了一款寬范圍高壓輸入90～400V，輸出28V/5.4A的厚膜DC/DC變換器。其輸入電壓能夠有效覆蓋航天、航空高壓270V供電系統(tǒng)的波動(dòng)范圍，具有轉(zhuǎn)換效率高、工作溫度范圍寬（-55℃～125℃）的特點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足航天、航空惡劣供電環(huán)境的應(yīng)用要求。

1 電路拓?fù)浞桨?/h2>

寬范圍高壓輸入DC/DC變換器設(shè)計(jì)的主要難點(diǎn)是在滿(mǎn)足4:1寬輸入高壓輸入的條件下，保證DC/DC變換器的電性能和可靠性。根據(jù)DC/DC變換器的設(shè)計(jì)要求，具體電路原理圖如圖1所示。

圖1的電路方案具有如下主要特點(diǎn)：

圖1：半橋電路原理圖

（1）根據(jù)400V高壓輸入、4:1寬范圍輸入、輸出功率150W的特點(diǎn)，DC/DC變換器電路拓?fù)洳捎冒霕蛲負(fù)?，保證在高電壓輸入范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)相關(guān)性能指標(biāo)。

（2）根據(jù)28V輸出電壓的特點(diǎn)，次級(jí)采用全橋整流電路，每個(gè)橋臂為兩個(gè)整流二極管串聯(lián)承受反向電壓，適合較高電壓輸出應(yīng)用環(huán)境。

（3）內(nèi)部供電獨(dú)立設(shè)計(jì)，提高電路供電的可靠性，保證DC/DC 變換器不因?yàn)楦唠妷狠斎牍╇姸鴮?dǎo)致可靠性和轉(zhuǎn)換效率下降。

（4）采用一次側(cè)電流互感器采樣輸入電流進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)和短路保護(hù)的精確設(shè)計(jì)。避免因?yàn)檩斎腚妷悍秶鷮拰?dǎo)致的電流檢測(cè)不準(zhǔn)的難點(diǎn)，保證DC/DC保護(hù)功能達(dá)到應(yīng)用要求。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 變壓器設(shè)計(jì)

半橋拓?fù)湓O(shè)計(jì)核心是變壓器，變壓器設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)寬范圍高電壓應(yīng)用的關(guān)鍵，直接關(guān)系到功率轉(zhuǎn)換效率和內(nèi)部電路可靠供電。變壓器設(shè)計(jì)過(guò)程主要如下：

（1）變壓器工作頻率設(shè)計(jì)為330kHz，輸入電壓為90V～400V，輸出電壓為28V，最大輸出電流為5.4A。

（2）變壓器設(shè)計(jì)為扁平銅帶繞組平面變壓器，具有參數(shù)一致性好、漏感小的特點(diǎn)。磁芯廠家為天通公司，磁芯材料為T(mén)PW33，A=60.73mm，B=410mT。半橋電路拓?fù)漕A(yù)設(shè)最大磁通密度變化量ΔB=170mT。

（3）變壓器設(shè)計(jì)工作條件按最低輸入電壓和滿(mǎn)載輸出的極端情況來(lái)計(jì)算。最小輸入電壓為V=90V。半橋電路拓?fù)渲凶儔浩鞒跫?jí)繞組電壓等于輸入電壓的一半，即V=45V。則初級(jí)繞組匝數(shù)計(jì)算公式為：

式中：N—— 初級(jí)繞組匝數(shù)；

V—— 初級(jí)繞組最低電壓；

D—— 最大占空比；

f—— 工作頻率；

A—— 磁芯截面積；

ΔB—— 磁通密度變化量。

（4）半橋電路拓?fù)渲袃蓚€(gè)功率管輪流導(dǎo)通，最大占空比預(yù)設(shè)為0.4。在最低輸入電壓時(shí)占空比最大，將D=0.4代入式（1），可得N=10。

（5）變壓器次級(jí)采用全橋整流電路，整流二極管的最大占空比不超過(guò)0.4，輸出回路整流二極管壓降V=0.5V，則變壓器

次級(jí)繞組匝數(shù)計(jì)算公式為：

式中：N—— 次級(jí)繞組匝數(shù)；

V—— 二極管壓降。計(jì)算可得次級(jí)繞組匝數(shù)N=8。

2.2 半橋分壓電容設(shè)計(jì)

變壓器初級(jí)電流對(duì)半橋的分壓電容進(jìn)行充放電，引起電容上電壓波動(dòng)，電壓波動(dòng)度取0.03，額定輸出負(fù)載為5.185Ω。分壓電容的容值計(jì)算公式為：

式中：R—— 額定輸出負(fù)載；

ξ —— 電容電壓波動(dòng)度。

把相關(guān)參數(shù)帶到式（3）中，計(jì)算得半橋分壓電容值為2.5uF，實(shí)際取3.3uF，采用多層片式陶瓷電容。

2.3 次級(jí)整流設(shè)計(jì)

隨著輸入電壓的升高，次級(jí)整流的電壓應(yīng)力會(huì)隨之升高。次級(jí)采用全橋整流技術(shù)能夠有效降低整流二極管的電壓應(yīng)力，能夠選擇導(dǎo)通壓降較低、反向恢復(fù)較快的肖特基二極管，提升了電路的工作頻率。

高壓輸出的次級(jí)整流電路中常見(jiàn)全橋整流方式有兩電平結(jié)構(gòu)和三電平結(jié)構(gòu)。兩電平全橋整流設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、元件數(shù)量少，適合低壓輸出設(shè)計(jì)，輸出電壓15V以上時(shí)，對(duì)輸出電容耐壓要求較高，無(wú)法滿(mǎn)足較高電壓輸出時(shí)低紋波的應(yīng)用要求。為實(shí)現(xiàn)大功率高電壓28V輸出時(shí)低紋波，DC/DC變換器設(shè)計(jì)了三電平結(jié)構(gòu)全橋整流，使28V輸出變?yōu)閮陕?4V輸出串聯(lián)，減小了輸出電容的電壓應(yīng)力，提升輸出電容容值，降低輸出電壓紋波。

圖2中，變壓器次級(jí)繞組交流信號(hào)經(jīng)全橋整流電路的兩個(gè)橋臂分別整流后，輸出至電感L1，經(jīng)輸出電容C25～C28濾波后輸出28V直流電壓?？紤]半橋拓?fù)渲腥珮蛘麟娐返奶攸c(diǎn)和變壓器漏感，次級(jí)整流管承受的電壓應(yīng)力應(yīng)充分考慮設(shè)計(jì)裕量，保證滿(mǎn)足Ⅰ級(jí)降額要求。根據(jù)公式（4）計(jì)算得到肖特基二極管承受電壓為：

圖2：次級(jí)整流電路原理圖

式中：V—— 二極管反向電壓；

V—— 初級(jí)繞組最高電壓；

N —— 變壓器匝比。

計(jì)算可得每一橋臂兩個(gè)肖特基二極管承受的反向電壓為234V，實(shí)際取兩個(gè)150V耐壓的肖特基二極管串聯(lián)。

2.4 內(nèi)部供電設(shè)計(jì)

寬范圍高壓輸入DC/DC變換器的最低輸入電壓為90V，最高為400V，輸出電壓為28V。電路內(nèi)部初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)的控制電路都需要合適的供電電壓。

傳統(tǒng)的線(xiàn)性穩(wěn)壓供電方式在高電壓輸入時(shí)，線(xiàn)性穩(wěn)壓中的功率管壓降大、功率損耗嚴(yán)重，嚴(yán)重影響電路轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)影響高電壓輸入時(shí)的內(nèi)部電路供電可靠性。因此需要為DC/DC變換器設(shè)計(jì)高效率、高可靠的內(nèi)部供電電路。

內(nèi)部供電需滿(mǎn)足以下條件：

（1）輸入電壓90V～400V穩(wěn)定供電；

（2）初級(jí)側(cè)、次級(jí)側(cè)需要相互隔離；

（3）供電電路拓?fù)浜?jiǎn)單，體積足夠小，為功率電路留有更大空間。

經(jīng)考慮后，設(shè)計(jì)變壓器輔助繞組供電經(jīng)整流濾波穩(wěn)壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，其工作電壓范圍為穩(wěn)定的15V，能夠滿(mǎn)足要求。

2.5 初級(jí)側(cè)采樣保護(hù)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)必要的保護(hù)電路是提高DC/DC變換器可靠性的重要功能之一。針對(duì)應(yīng)用環(huán)境要求，結(jié)合功率電路和控制電路的特點(diǎn)，DC/DC變換器設(shè)計(jì)了短路保護(hù)、欠壓保護(hù)、軟啟動(dòng)、禁止等功能。

小功率DC/DC變換器的短路保護(hù)是通過(guò)功率電路中串聯(lián)電阻采集初級(jí)側(cè)的輸入電流，將其轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)后提供給比較器進(jìn)行比較后輸出控制信號(hào)，判斷是否進(jìn)入保護(hù)模式。該方法優(yōu)點(diǎn)是元器件相對(duì)較少、成熟可靠，但缺點(diǎn)是不適用于電流雙向流動(dòng)的大功率半橋拓?fù)洹?/p>

寬范圍高壓輸入DC/DC變換器設(shè)計(jì)了一款電流互感器采樣短路保護(hù)電路。其工作過(guò)程：

（1）通過(guò)電流互感器初級(jí)對(duì)雙向輸入電流進(jìn)行采樣；

（2）電流互感器次級(jí)采樣電阻上的電壓經(jīng)整流濾波后輸入到控制芯片的CS端。

（3）控制芯片CS端的電壓與內(nèi)部基準(zhǔn)電平進(jìn)行比較，當(dāng)CS端電壓低于基準(zhǔn)電壓時(shí)（未短路），控制芯片正常工作，電路中功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)正常；當(dāng)CS端電壓高于基準(zhǔn)電壓時(shí)（輸出短路），控制芯片內(nèi)部電路翻轉(zhuǎn)，無(wú)驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出，功率管關(guān)閉，進(jìn)而電路無(wú)輸出。

該短路保護(hù)電路的特點(diǎn)是直接對(duì)輸入電流進(jìn)行采樣，短路保護(hù)信號(hào)與輸入高電壓隔離，短路保護(hù)點(diǎn)的值可通過(guò)設(shè)置采樣電阻和CS端電壓進(jìn)行控制，提高短路保護(hù)功能在全輸入電壓范圍內(nèi)的可靠性。

3 仿真驗(yàn)證

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，對(duì)寬范圍高壓輸入DC/DC變換器整體電路進(jìn)行了仿真模擬，以提高設(shè)計(jì)的可靠性。

通過(guò)Saber軟件仿真驗(yàn)證變壓器設(shè)計(jì)的合理性和90V～400V輸入時(shí)輸出電壓是否正常。按圖1繪制仿真電路圖，各重要參數(shù)設(shè)置如表1所示。輸入400V、輸出28V/5.4A時(shí)，輸出電壓仿真波形如圖5所示。由圖3可見(jiàn)，輸出電壓建立過(guò)程平滑且無(wú)過(guò)沖。

表1：仿真電路參數(shù)

圖3：輸出電壓仿真波形

圖4和圖5為功率開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力和輸出紋波電壓仿真波形圖。由圖4可見(jiàn)，270V輸入時(shí)功率開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力為288V。由圖5可見(jiàn)，28V輸出電壓紋波約為50mV。

圖4：功率開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力仿真波形

圖5：輸出紋波電壓仿真波形

圖3～圖5的仿真結(jié)果表明，按表1設(shè)計(jì)的寬范圍高壓輸入DC/DC變換器可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出，滿(mǎn)足寬范圍高電壓輸入、大功率輸出的工作要求。

4 樣機(jī)測(cè)試

按上述設(shè)計(jì)過(guò)程，選擇性能優(yōu)異的功率器件，合理布局、均衡分布熱源，并采用厚膜混合集成工藝加工。在樣機(jī)的基礎(chǔ)上不斷調(diào)試環(huán)路穩(wěn)定性、空載輸入電流、短路保護(hù)點(diǎn)、容性負(fù)載能力等，最后得到性能滿(mǎn)足要求的產(chǎn)品。

通測(cè)試樣機(jī)輸入400V、輸出28V/5.4A時(shí)電路工作波形對(duì)樣機(jī)的性能進(jìn)行更好的評(píng)估。輸入400V時(shí)，輸出啟動(dòng)電壓波形如圖6所示，樣機(jī)無(wú)啟動(dòng)過(guò)沖的情況，性能良好，與仿真波形一致。

圖6：輸出電壓?jiǎn)?dòng)波形圖

輸入400V時(shí)，功率開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力波形和28V輸出紋波電壓波形具體如圖7和圖8所示。

圖7：功率開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力實(shí)驗(yàn)波形圖

圖8：輸出紋波電壓實(shí)驗(yàn)波形圖

圖7和圖8可見(jiàn)，輸入400V時(shí)，功率開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力無(wú)明顯尖峰，工作穩(wěn)定。28V輸出電壓紋波約為194mV，其中激波約為80mV，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，無(wú)自激現(xiàn)象。

在常溫、不同輸入條件下對(duì)樣機(jī)的效率進(jìn)行測(cè)試。樣機(jī)效率曲線(xiàn)如圖9所示。常溫28V輸入、帶載大于5.4A后輸出效率>87%，滿(mǎn)足轉(zhuǎn)換效率的要求。由于肖特基二極管對(duì)產(chǎn)品的效率影響較大，所選的次級(jí)整流管為吉華微特肖特基二極管JHSC175H150AL，具有導(dǎo)通壓降小等優(yōu)點(diǎn)。

圖9：樣機(jī)效率曲線(xiàn)圖

5 結(jié)論

本文提出了一款寬范圍高壓輸入DC/DC變換器設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)介紹了半橋電路拓?fù)湓O(shè)計(jì)、變壓器設(shè)計(jì)、內(nèi)部供電電路設(shè)計(jì)和初級(jí)側(cè)采樣保護(hù)設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)電性能仿真驗(yàn)證和樣機(jī)測(cè)試驗(yàn)證，電源測(cè)試波形與仿真波形基本一致，工作波形正常，性能良好，效率滿(mǎn)足>87%的要求?？蓮V泛應(yīng)用于航天、航空等寬范圍高壓供電系統(tǒng)，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。