雙路輸出雙閉環(huán)電流控制型DC/DC變換器的研究

   摘要：多路輸出電源的負(fù)載交叉調(diào)節(jié)性能一直沒有得到較好的解決，給不對稱性要求較高的負(fù)載應(yīng)用帶來困難。根據(jù)閉環(huán)控制原理，提出了一種雙環(huán)路穩(wěn)定，利用同一時鐘脈沖同步的方法，解決了多路輸出電源交叉調(diào)節(jié)互擾大的問題，大大改善了負(fù)載交叉調(diào)節(jié)性能。

    關(guān)鍵詞：DC/DC變換器；多路輸出；交叉調(diào)節(jié)；雙環(huán)控制

引言

目前，多路輸出電源普遍采用針對一路輸出進(jìn)行閉環(huán)的PWM控制方式，而其他的輔助輸出采用間接穩(wěn)壓方式。由于只對主輸出進(jìn)行閉環(huán)控制，占空比的改變對輔助輸出的負(fù)載影響較大，尤其是從輕載到滿載變化時，交叉調(diào)節(jié)的性能變差（通常>5％）。如果對未閉環(huán)的輔助輸出進(jìn)行二次穩(wěn)壓（如線性穩(wěn)壓），則電路復(fù)雜，效率降低。對于兩路輸出DC/DC模塊，大多采用正負(fù)電壓聯(lián)合采樣技術(shù)，但對于負(fù)載不對稱的用電環(huán)境下交叉調(diào)節(jié)性能變差。為了改善負(fù)載交錯性能，國外有些公司只研發(fā)單路輸出模塊，然后由用戶對模塊進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)多路輸出穩(wěn)壓，這樣也可提高效率。

多年來，國外對多路輸出電源進(jìn)行了較深入的研究。但是，在文獻(xiàn)中進(jìn)行數(shù)學(xué)模型建立，數(shù)學(xué)推導(dǎo)、分析的較多，其中，對正向變換器多路輸出耦合電感對交叉調(diào)節(jié)性能的影響也有一些一般性的結(jié)論，而對具體問題的詳細(xì)分析和研究的文獻(xiàn)則不多。

本文采用200kHz矩形脈沖對兩個結(jié)構(gòu)完全相同的控制單元進(jìn)行脈沖前沿同步，降低電磁干擾（EMI）。采用新一代BICMOS電流型控制技術(shù)，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低了控制電路的靜態(tài)工作電流和啟動電流，大大改善了多路輸出電源負(fù)載交錯性能。特別適合不對稱負(fù)載的場合或?qū)ΨQ負(fù)載的場合。

圖1

1 基本結(jié)構(gòu)

雙路輸出雙閉環(huán)控制DC/DC變換器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。它采用了兩組DC/DC變換器并行工作方式，且均由脈沖發(fā)生器產(chǎn)生200kHz矩形脈沖來控制。兩組變換器的驅(qū)動器和脈寬調(diào)制器（PWM）使用的常數(shù)是相同的，兩組MOSFET的柵-源級波形的前沿同時開啟。

這種結(jié)構(gòu)并行工作的特點(diǎn)如下：

1）與目前國內(nèi)外普遍采用的聯(lián)合采樣，脈寬調(diào)制型DC/DC模塊相比，負(fù)載交叉調(diào)節(jié)性能得到大大提高；

2）由于兩組變換器用同一種電路結(jié)構(gòu)，所使用的元器件相同，簡化了設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、維護(hù)工作。

2 電路描述

由于采用了兩組電路完全相同的變換器、控制電路及保護(hù)電路，所以，電路選擇簡單、控制簡單，成本低。

2．1 變換器

對于低壓輸入、次級小于50W輸出的電源，選擇單端反激式變換電路有以下特點(diǎn)：

1）使用單只場效應(yīng)管和單只輸出整流二極管，省去了體積較大的輸出濾波電感；

2）只須配置簡單的箝位網(wǎng)絡(luò)元件；

3）可以使用兩只小型MMP磁環(huán)作為變壓器，能滿足小型化要求。

    具體的電路工作原理圖如圖2所示。

2．2 控制電路

控制電路的設(shè)計(jì)包括PWM控制器的選擇，同步脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)以及隔離反饋等電路的設(shè)計(jì)。

2．2．1 PWM控制

基于簡化電路、簡化設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想，選擇第三代BICMOS電流型控制芯片。由于這種芯片靜態(tài)工作電流小以及先進(jìn)的前沿消隱等特點(diǎn)，使得DC/DC變換器的啟動電路大大簡化。由于采用前沿消隱技術(shù)，使得電流信號采樣電路也同樣得到簡化。其方案如圖3和圖4所示。

2．2．2 同步脈沖發(fā)生器

同步脈沖發(fā)生器采用了傳輸比較高的自激振蕩器，產(chǎn)生約200kHz，占空比50％的矩形脈沖。同步矩形脈沖分別送到兩組變換器的電流控制型芯片的同步端子，以實(shí)現(xiàn)PWM輸出脈沖的前沿同步。由于目前能產(chǎn)生矩形脈沖的自激振蕩器很多，本文不再贅述，須指出的是在電路設(shè)計(jì)時，需要阻抗匹配好，就可達(dá)到同步前沿的目的。

圖3、4

3 樣機(jī)試制情況

本文介紹的雙路輸出雙閉環(huán)控制DC/DC變換器，經(jīng)過樣機(jī)試制后達(dá)到如下技術(shù)指標(biāo)：

輸入直流電壓 DC16～40V；

輸出直流電壓 ±15V/1.5A，最大2A；

負(fù)載穩(wěn)定度 ＋15V0.1％；－15V0.1％；

電壓穩(wěn)定度 ≤0.1％；

交叉調(diào)節(jié) 0％；

輸出紋波電壓峰峰值 VP－P≤100mV；

效率 88％；

外形尺寸 60mm×60mm×12.7mm；

功能 具有輸出過流、短路、過壓保護(hù)功能。

4 結(jié)語

1）我們研制的雙路輸出DC/DC變換器，采用200kHz矩形脈沖同步，效率為88％，長期工作電路穩(wěn)定。

2）為了進(jìn)一步提高效率，功率MOSFET的開關(guān)速度必須提高。驅(qū)動電路須作進(jìn)一步改進(jìn)，應(yīng)選擇高頻等效參數(shù)更佳的表貼元器件。

3）由于兩組相同的變換器安裝在外形尺寸較小的外殼中，更應(yīng)重視PCB最優(yōu)化設(shè)計(jì)，注意接地，避免大環(huán)路高頻電流的擾動以及工藝技術(shù)，方能達(dá)到更好的效果。

本文介紹的DC/DC變換器，通過樣機(jī)試制以及大量的試驗(yàn)后即將投入使用。