通信用正激式DC/DC模塊電源設(shè)計(jì)
[導(dǎo)讀]通信用DC/DC模塊電源功率級(jí)一般從幾瓦至幾十瓦，輸出電壓從幾伏至上百伏，對(duì)于幾十瓦的電源，一般以低壓大電流為主，有5V/10A、 5V/6A、3.3V/8A等規(guī)格，效率一般在80％左右（具體視輸出電壓大?。?。因?yàn)槟K電源要求MTBF（平均無故障時(shí)間）1000000小時(shí)以上，所以要盡量避免使用電解電容，最好使用陶瓷電容。陶瓷電容容量不大，具有非常好的高頻特性。此外，DC/DC模塊電源的厚度要求小于12.7mm，所以對(duì)變壓器的要求高，磁芯必須具有扁平的形狀和在高頻情況下具有較小的損耗因子。
1 引言
通信用DC/DC模塊電源功率級(jí)一般從幾瓦至幾十瓦，輸出電壓從幾伏至上百伏，對(duì)于幾十瓦的電源，一般以低壓大電流為主，有5V/10A、 5V/6A、3.3V/8A等規(guī)格，效率一般在80％左右（具體視輸出電壓大?。Ｒ?yàn)槟K電源要求MTBF（平均無故障時(shí)間）1000000小時(shí)以上，所以要盡量避免使用電解電容，最好使用陶瓷電容。陶瓷電容容量不大，具有非常好的高頻特性。此外，DC/DC模塊電源的厚度要求小于12.7mm，所以對(duì)變壓器的要求高，磁芯必須具有扁平的形狀和在高頻情況下具有較小的損耗因子。
通常選用的芯材有TDK的PC40/44、PC50，菲利浦的3F3、3F4，國產(chǎn)的如金寧R2KD、R2KBD、R2KB1等。形狀以罐型為主，因?yàn)楣扌痛判揪哂休^好的屏蔽，EMI中的棘手問題——輻射也就好解決得多了。同時(shí)不能使局部溫度太高，必須均衡放置發(fā)熱元件，另外還要求較低的紋波和較高的效率等，所有這些挑戰(zhàn)使得采用正激式必較合適。
2 正激式電路工作原理
2．1 一般正激式
圖1所示為單端正激式電路，它猶如帶變壓器的Buck型變換器。輸出電壓UO由N2/N1、占空比D和輸入電壓確定，即UO=（N2/N1）·D·Ui。
當(dāng)PWM控制器輸出正脈沖，功率開關(guān)導(dǎo)通，變壓器的初級(jí)繞組流過電流，此電流由兩部分組成：第一部分為磁化電流，即流經(jīng)等效開環(huán)電感上的電流；第二部份是與輸出電流等效的初級(jí)電流，它和初次級(jí)匝比成反比，和輸出電流成正比。儲(chǔ)存在電感上的能量必須在功率開關(guān)關(guān)斷后下一次開啟前泄放掉，以便使磁通復(fù)位。 N3即為去磁繞組，一般N3=N1。如果設(shè)計(jì)一個(gè)36V至72V直流輸入、5V/6A輸出的模塊電源，當(dāng)去磁繞組與初級(jí)繞組的匝比為1時(shí)，Udsr= 72V＋72V=144V。選用反峰Uds為200V的IRF630場(chǎng)效應(yīng)管，僅有50V的裕量用于承受異常時(shí)和疊加在此電壓上的尖峰脈沖。場(chǎng)效應(yīng)管的 Rds(on)與允許的Udsr成反比，如IRF630的Rds(on)是0.4Ω,而耐壓為100V的同系列產(chǎn)品IRF530N為0.11Ω。很顯然，對(duì)寬范圍輸入的電源設(shè)計(jì)選用高耐壓的場(chǎng)效應(yīng)管（最高輸入直流電壓Uimax×2使用）僅僅是為了對(duì)付高端輸入有點(diǎn)不太經(jīng)濟(jì)?，F(xiàn)介紹一種能克服此缺點(diǎn)的改進(jìn)型電路。
2．2 改進(jìn)型正激式
當(dāng)變壓器的參數(shù)和外在工作頻率滿足下列條件：
?。?）開關(guān)頻率足夠高；
?。?）磁化電流足夠小；
（3）漏感足夠小。便不再需要去磁繞組，加在場(chǎng)效應(yīng)管上的反峰電壓不與輸入電壓成正比，而是和所設(shè)計(jì)的最低輸入電壓下加在場(chǎng)效應(yīng)管上的反峰電壓幾乎一樣。當(dāng)（2）和（3）足夠小時(shí)，儲(chǔ)存在這些感性元件上的能量有限，電感與分布電容的比值不大，即等效特性阻抗不大（），Ld與Cd發(fā)生諧振，只要等效諧振頻率fegu()小于開關(guān)工作頻率，那么在toff段，Uds兩端電壓是直流電源（Ui）疊加上等效蓄能（在Lm和漏感上）轉(zhuǎn)換成分布電容（Cd）上的電能。此電能由電容容量和電容兩端電壓、轉(zhuǎn)換時(shí)間決定。電容兩端電壓。當(dāng)輸入電壓上升時(shí)，ieq減小，反之則增大；所以Ud幾乎不變。Ud僅和輸出負(fù)載有關(guān)，而對(duì)輸入電壓的上升/下降則不敏感了。這樣在比較寬的輸入電壓范圍內(nèi)就可以不必按最高輸入電壓情況來選擇功率開關(guān)管的耐壓。
圖2為一般正激式和改進(jìn)型正激式開關(guān)器件兩端電壓波形Uds。
3 應(yīng)用實(shí)例
3．1 UCC3802電流型控制器
UCC2802/3802是UNITRODE繼UC3842生產(chǎn)的一種高速、低損耗、高性能的電流型PWM控制器，其引腳方式與UC3842類似。與 UC3842不同的是采用BI－CMOS集成技術(shù)，極大地降低了工作損耗；工作頻率也從500kHz提升到1MHz。由于采用了較先進(jìn)的技術(shù)，較 UC3842來說，有些外圍元器件不再需要，如圖3虛線框內(nèi)所示的元器件。
UCC3802各管腳的功能如下：
1腳 誤差放大器輸出端
用于補(bǔ)償或電壓反饋信號(hào)直接接入。此IC已集成了軟起動(dòng)電路，見圖3左側(cè)虛線框內(nèi)兩電阻和三極管可省略。
2腳 電壓反饋信號(hào)輸入端
與UC3842所不同的是該誤差放大器的頻寬為2MHz，而UC3842為1MHz。
3腳 電流信號(hào)輸入端
與UC3842所不同的是該IC內(nèi)有100ns前沿屏蔽功能，所以RC濾波器不再需要，另外內(nèi)部還多了一個(gè)過電流比較器，在過電流狀態(tài)時(shí)能迅速切斷6腳的輸出。UCC3802的電流放大器增益為1.65V/V，UC3842電流放大器增益為3V/V。
4 腳RT/CT端
UCC3802振蕩頻率f=1.5/RTCT，建議RT的范圍是10k至200k，建議CT的范圍是100pF至1000pF。
5 腳接地端
6 腳脈沖輸出端
與UC3842所不同的是采用CMOS作功率放大器，而不是用雙極型三極管，所以在理想情況下不應(yīng)有過沖和下沖，不再需要肖特基二極管并接在該端與地端。也不需要柵極泄放電阻。
7 腳電源輸入端
與UC3842不同，因采用CMOS結(jié)構(gòu)，輸入電壓不能太高，最高被限制在13.5V，這與UC3842里限制在34V不同。另外，起動(dòng)電壓是12.5V,關(guān)閉電壓是8.4V。
8 腳參考電壓輸出端
精度為±1％，而UC3842為±2％。
帶載能力比UC3842差，最多5mA。
3.2 電源變壓器設(shè)計(jì)
單端正激式變換器變壓器的設(shè)計(jì)與反激式不同，與脈沖變壓器設(shè)計(jì)一樣。
首先，需要確定變壓器最大允許溫升（Tr），這個(gè)要求可從模塊電源設(shè)計(jì)的工作溫度范圍轉(zhuǎn)換過來。如確定最大工作溫度為＋55℃，那么變壓器的最大溫升限制在45℃是相當(dāng)安全的。
其次，確定開關(guān)頻率fs、最大輸出功率、效率等參數(shù)。查找磁芯生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品數(shù)據(jù),在磁芯材質(zhì)特性一欄，選出在此工作頻率下有較小損耗因子的材質(zhì)號(hào)。根據(jù)計(jì)算方法及機(jī)械尺寸要求選出磁芯形狀和大小。作為一般性的計(jì)算有：
?。?）初級(jí)匝數(shù)Np
式中：D——在Ui輸入電壓下的占空比；
Bm——最大磁感應(yīng)強(qiáng)度（高斯）；
Br——剩磁感應(yīng)強(qiáng)度（高斯）；
Ae——磁芯有效截面積（平方厘米）；
f——開關(guān)頻率（Hz）；
Ui——施加在初級(jí)繞組上的電壓幅值。
[!--empirenews.page--]?。?）初級(jí)電感量
初級(jí)電感量即Lm（磁化電感），此電感量越大越好，但是在保證磁芯不致飽和的前提下，Lm=(Ui×ton)/Im,Im為磁化電流，此電流越小越好，Im一般取（10～20）％IP(初級(jí)最大峰值電流)。
?。?）次級(jí)匝數(shù)Ns
式中：Ui(min)——最小輸入電壓；
UMOSFET——場(chǎng)效應(yīng)管上的電壓降；
Ud——輸出二極管的壓降；
Dmax——最大占空比。
（4）初次級(jí)線徑
在高頻下，由于趨膚效應(yīng)會(huì)使繞組等效電阻值增大。為此需要計(jì)算穿透深度Δ
式中:f——開關(guān)頻率（Hz）；
km——與材料和溫度有關(guān)的系數(shù)。
選擇線徑小于2.5×Δ的銅線或銅箔比較合適。并聯(lián)根數(shù)或銅箔截面積取決于電流密度值，一般選取范圍為(2～5)A/mm2
?。?）繞線方法
要求盡可能采用“三明治繞法”降低漏感值，以達(dá)到無需使用換位繞組的目的。
4 測(cè)試數(shù)據(jù)
測(cè)試的數(shù)據(jù)如表1、表2、表3所示。
5 測(cè)試線路圖
測(cè)試線路如圖3所示。
6 樣圖及說明
圖4為該電路原理的應(yīng)用。V2是MOTOROLA生產(chǎn)的Udsr為100V、Rds(on)為0.25Ω、DPAK封裝的場(chǎng)效應(yīng)管。V3是ROHM生產(chǎn)的SOT?89封裝的三極管，L1的電感量為4.2μH±10％。C9、C10、C11是貼片陶瓷電容。如果在輸入電壓范圍、負(fù)載范圍內(nèi)某一點(diǎn)發(fā)生振蕩，可調(diào)整R16、C13、R4、C1的值來消除它。本例選用的工作頻率是750kHz。選用的磁芯型號(hào)是PHILIPS的EFD15-3F3-Z，根據(jù)電感系數(shù)自己開出適當(dāng)氣隙。該電路既提高了工作頻率，減小了體積，降低了成本，效率卻沒有降低。經(jīng)過簡單的電路改變，可設(shè)計(jì)出3.3V/8A、 5V/8A、隔離和非隔離DC/DC變換器來。
通信用DC/DC模塊電源功率級(jí)一般從幾瓦至幾十瓦，輸出電壓從幾伏至上百伏，對(duì)于幾十瓦的電源，一般以低壓大電流為主，有5V/10A、 5V/6A、3.3V/8A等規(guī)格，效率一般在80％左右（具體視輸出電壓大?。Ｒ?yàn)槟K電源要求MTBF（平均無故障時(shí)間）1000000小時(shí)以上，所以要盡量避免使用電解電容，最好使用陶瓷電容。陶瓷電容容量不大，具有非常好的高頻特性。此外，DC/DC模塊電源的厚度要求小于12.7mm，所以對(duì)變壓器的要求高，磁芯必須具有扁平的形狀和在高頻情況下具有較小的損耗因子。
通常選用的芯材有TDK的PC40/44、PC50，菲利浦的3F3、3F4，國產(chǎn)的如金寧R2KD、R2KBD、R2KB1等。形狀以罐型為主，因?yàn)楣扌痛判揪哂休^好的屏蔽，EMI中的棘手問題——輻射也就好解決得多了。同時(shí)不能使局部溫度太高，必須均衡放置發(fā)熱元件，另外還要求較低的紋波和較高的效率等，所有這些挑戰(zhàn)使得采用正激式必較合適。
2 正激式電路工作原理
2．1 一般正激式
圖1所示為單端正激式電路，它猶如帶變壓器的Buck型變換器。輸出電壓UO由N2/N1、占空比D和輸入電壓確定，即UO=（N2/N1）·D·Ui。
當(dāng)PWM控制器輸出正脈沖，功率開關(guān)導(dǎo)通，變壓器的初級(jí)繞組流過電流，此電流由兩部分組成：第一部分為磁化電流，即流經(jīng)等效開環(huán)電感上的電流；第二部份是與輸出電流等效的初級(jí)電流，它和初次級(jí)匝比成反比，和輸出電流成正比。儲(chǔ)存在電感上的能量必須在功率開關(guān)關(guān)斷后下一次開啟前泄放掉，以便使磁通復(fù)位。 N3即為去磁繞組，一般N3=N1。如果設(shè)計(jì)一個(gè)36V至72V直流輸入、5V/6A輸出的模塊電源，當(dāng)去磁繞組與初級(jí)繞組的匝比為1時(shí)，Udsr= 72V＋72V=144V。選用反峰Uds為200V的IRF630場(chǎng)效應(yīng)管，僅有50V的裕量用于承受異常時(shí)和疊加在此電壓上的尖峰脈沖。場(chǎng)效應(yīng)管的 Rds(on)與允許的Udsr成反比，如IRF630的Rds(on)是0.4Ω,而耐壓為100V的同系列產(chǎn)品IRF530N為0.11Ω。很顯然，對(duì)寬范圍輸入的電源設(shè)計(jì)選用高耐壓的場(chǎng)效應(yīng)管（最高輸入直流電壓Uimax×2使用）僅僅是為了對(duì)付高端輸入有點(diǎn)不太經(jīng)濟(jì)?，F(xiàn)介紹一種能克服此缺點(diǎn)的改進(jìn)型電路。
2．2 改進(jìn)型正激式
當(dāng)變壓器的參數(shù)和外在工作頻率滿足下列條件：
?。?）開關(guān)頻率足夠高；
?。?）磁化電流足夠小；
（3）漏感足夠小。便不再需要去磁繞組，加在場(chǎng)效應(yīng)管上的反峰電壓不與輸入電壓成正比，而是和所設(shè)計(jì)的最低輸入電壓下加在場(chǎng)效應(yīng)管上的反峰電壓幾乎一樣。當(dāng)（2）和（3）足夠小時(shí)，儲(chǔ)存在這些感性元件上的能量有限，電感與分布電容的比值不大，即等效特性阻抗不大（），Ld與Cd發(fā)生諧振，只要等效諧振頻率fegu()小于開關(guān)工作頻率，那么在toff段，Uds兩端電壓是直流電源（Ui）疊加上等效蓄能（在Lm和漏感上）轉(zhuǎn)換成分布電容（Cd）上的電能。此電能由電容容量和電容兩端電壓、轉(zhuǎn)換時(shí)間決定。電容兩端電壓。當(dāng)輸入電壓上升時(shí)，ieq減小，反之則增大；所以Ud幾乎不變。Ud僅和輸出負(fù)載有關(guān)，而對(duì)輸入電壓的上升/下降則不敏感了。這樣在比較寬的輸入電壓范圍內(nèi)就可以不必按最高輸入電壓情況來選擇功率開關(guān)管的耐壓。
圖2為一般正激式和改進(jìn)型正激式開關(guān)器件兩端電壓波形Uds。
3 應(yīng)用實(shí)例
3．1 UCC3802電流型控制器
UCC2802/3802是UNITRODE繼UC3842生產(chǎn)的一種高速、低損耗、高性能的電流型PWM控制器，其引腳方式與UC3842類似。與 UC3842不同的是采用BI－CMOS集成技術(shù)，極大地降低了工作損耗；工作頻率也從500kHz提升到1MHz。由于采用了較先進(jìn)的技術(shù)，較 UC3842來說，有些外圍元器件不再需要，如圖3虛線框內(nèi)所示的元器件。
UCC3802各管腳的功能如下：
1腳 誤差放大器輸出端
用于補(bǔ)償或電壓反饋信號(hào)直接接入。此IC已集成了軟起動(dòng)電路，見圖3左側(cè)虛線框內(nèi)兩電阻和三極管可省略。
2腳 電壓反饋信號(hào)輸入端
與UC3842所不同的是該誤差放大器的頻寬為2MHz，而UC3842為1MHz。
3腳 電流信號(hào)輸入端
與UC3842所不同的是該IC內(nèi)有100ns前沿屏蔽功能，所以RC濾波器不再需要，另外內(nèi)部還多了一個(gè)過電流比較器，在過電流狀態(tài)時(shí)能迅速切斷6腳的輸出。UCC3802的電流放大器增益為1.65V/V，UC3842電流放大器增益為3V/V。
4 腳RT/CT端
UCC3802振蕩頻率f=1.5/RTCT，建議RT的范圍是10k至200k，建議CT的范圍是100pF至1000pF。
5 腳接地端
6 腳脈沖輸出端
與UC3842所不同的是采用CMOS作功率放大器，而不是用雙極型三極管，所以在理想情況下不應(yīng)有過沖和下沖，不再需要肖特基二極管并接在該端與地端。也不需要柵極泄放電阻。
7 腳電源輸入端
與UC3842不同，因采用CMOS結(jié)構(gòu)，輸入電壓不能太高，最高被限制在13.5V，這與UC3842里限制在34V不同。另外，起動(dòng)電壓是12.5V,關(guān)閉電壓是8.4V。
8 腳參考電壓輸出端
精度為±1％，而UC3842為±2％。
帶載能力比UC3842差，最多5mA。
3.2 電源變壓器設(shè)計(jì)
單端正激式變換器變壓器的設(shè)計(jì)與反激式不同，與脈沖變壓器設(shè)計(jì)一樣。
首先，需要確定變壓器最大允許溫升（Tr），這個(gè)要求可從模塊電源設(shè)計(jì)的工作溫度范圍轉(zhuǎn)換過來。如確定最大工作溫度為＋55℃，那么變壓器的最大溫升限制在45℃是相當(dāng)安全的。
其次，確定開關(guān)頻率fs、最大輸出功率、效率等參數(shù)。查找磁芯生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品數(shù)據(jù),在磁芯材質(zhì)特性一欄，選出在此工作頻率下有較小損耗因子的材質(zhì)號(hào)。根據(jù)計(jì)算方法及機(jī)械尺寸要求選出磁芯形狀和大小。作為一般性的計(jì)算有：
?。?）初級(jí)匝數(shù)Np
式中：D——在Ui輸入電壓下的占空比；
Bm——最大磁感應(yīng)強(qiáng)度（高斯）；
Br——剩磁感應(yīng)強(qiáng)度（高斯）；
Ae——磁芯有效截面積（平方厘米）；
f——開關(guān)頻率（Hz）；
Ui——施加在初級(jí)繞組上的電壓幅值。
[!--empirenews.page--]?。?）初級(jí)電感量
初級(jí)電感量即Lm（磁化電感），此電感量越大越好，但是在保證磁芯不致飽和的前提下，Lm=(Ui×ton)/Im,Im為磁化電流，此電流越小越好，Im一般取（10～20）％IP(初級(jí)最大峰值電流)。
?。?）次級(jí)匝數(shù)Ns
式中：Ui(min)——最小輸入電壓；
UMOSFET——場(chǎng)效應(yīng)管上的電壓降；
Ud——輸出二極管的壓降；
Dmax——最大占空比。
（4）初次級(jí)線徑
在高頻下，由于趨膚效應(yīng)會(huì)使繞組等效電阻值增大。為此需要計(jì)算穿透深度Δ
式中:f——開關(guān)頻率（Hz）；
km——與材料和溫度有關(guān)的系數(shù)。
選擇線徑小于2.5×Δ的銅線或銅箔比較合適。并聯(lián)根數(shù)或銅箔截面積取決于電流密度值，一般選取范圍為(2～5)A/mm2
?。?）繞線方法
要求盡可能采用“三明治繞法”降低漏感值，以達(dá)到無需使用換位繞組的目的。
4 測(cè)試數(shù)據(jù)
測(cè)試的數(shù)據(jù)如表1、表2、表3所示。
表1 各種不同輸入電壓情況（滿載時(shí)）
輸入電壓（V） | 輸入電流（A） | 輸出電壓（V） | 輸出電流（A） | 輸出紋波（mV,p-p） | 輸出效率（%） |
20 | 1.775 | 4.9894 | 6.00 | 47.2 | 84.5 |
24 | 1.472 | 4.9832 | 6.00 | 44.2 | 84.9 |
48 | 0.728 | 4.9852 | 6.00 | 40.6 | 85.9 |
60 | 0.589 | 4.9865 | 6.00 | 45.3 | 84.9 |
表2 各種不同輸入電壓情況（半載時(shí)）
輸入電壓（V） | 輸入電流（A） | 輸出電壓（V） | 輸出電流（A） | 輸出紋波（mV,p-p） | 輸出效率（%） |
20 | 0.875 | 5.0021 | 3.00 | 25.2 | 85.7 |
24 | 0.727 | 5.0025 | 3.00 | 25.2 | 86.0 |
48 | 0.361 | 5.0026 | 3.00 | 24.6 | 86.7 |
60 | 0.290 | 5.0024 | 3.00 | 25.3 | 86.1 |
表3 各種不同輸入電壓情況（空載時(shí)）
輸入電壓（V） | 輸入電流（A） | 輸出電壓（V） | 輸出電流（A） | 輸出紋波（mV,p-p） | 輸出效率（%） |
20 | 6.5 | 5.0231 | - | 11.5 | - |
24 | 6.2 | 5.0235 | - | 11.5 | - |
48 | 4.2 | 5.0236 | - | 12.6 | - |
60 | 4.0 | 5.0024 | - | 15.0 | - |
5 測(cè)試線路圖
測(cè)試線路如圖3所示。
6 樣圖及說明
圖4為該電路原理的應(yīng)用。V2是MOTOROLA生產(chǎn)的Udsr為100V、Rds(on)為0.25Ω、DPAK封裝的場(chǎng)效應(yīng)管。V3是ROHM生產(chǎn)的SOT?89封裝的三極管，L1的電感量為4.2μH±10％。C9、C10、C11是貼片陶瓷電容。如果在輸入電壓范圍、負(fù)載范圍內(nèi)某一點(diǎn)發(fā)生振蕩，可調(diào)整R16、C13、R4、C1的值來消除它。本例選用的工作頻率是750kHz。選用的磁芯型號(hào)是PHILIPS的EFD15-3F3-Z，根據(jù)電感系數(shù)自己開出適當(dāng)氣隙。該電路既提高了工作頻率，減小了體積，降低了成本，效率卻沒有降低。經(jīng)過簡單的電路改變，可設(shè)計(jì)出3.3V/8A、 5V/8A、隔離和非隔離DC/DC變換器來。
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