[導讀]通信用DC/DC模塊電源功率級一般從幾瓦至幾十瓦，輸出電壓從幾伏至上百伏，對于幾十瓦的電源，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（具體視輸出電壓大小）。因為模塊電源要求MTBF（平均無故障時間）1000000小時以上，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模塊電源功率級一般從幾瓦至幾十瓦，輸出電壓從幾伏至上百伏，對于幾十瓦的電源，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?。?。因為模塊電源要求MTBF（平均無故障時間）1000000小時以上，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，因為罐型磁芯具有較好的屏蔽，EMI中的棘手問題——輻射也就好解決得多了。同時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PWM控制器輸出正脈沖，功率開關導通，變壓器的初級繞組流過電流，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電流，它和初次級匝比成反比，和輸出電流成正比。儲存在電感上的能量必須在功率開關關斷后下一次開啟前泄放掉，以便使磁通復位。 N3即為去磁繞組，一般N3=N1。如果設計一個36V至72V直流輸入、5V/6A輸出的模塊電源，當去磁繞組與初級繞組的匝比為1時，Udsr= 72V＋72V=144V。選用反峰Uds為200V的IRF630場效應管，僅有50V的裕量用于承受異常時和疊加在此電壓上的尖峰脈沖。場效應管的 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，對寬范圍輸入的電源設計選用高耐壓的場效應管（最高輸入直流電壓Uimax×2使用）僅僅是為了對付高端輸入有點不太經(jīng)濟?，F(xiàn)介紹一種能克服此缺點的改進型電路。
2．2 改進型正激式
當變壓器的參數(shù)和外在工作頻率滿足下列條件：
?。?）開關頻率足夠高；
?。?）磁化電流足夠??；
?。?）漏感足夠小。便不再需要去磁繞組，加在場效應管上的反峰電壓不與輸入電壓成正比，而是和所設計的最低輸入電壓下加在場效應管上的反峰電壓幾乎一樣。當（2）和（3）足夠小時，儲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、轉換時間決定。電容兩端電壓。當輸入電壓上升時，ieq減小，反之則增大；所以Ud幾乎不變。Ud僅和輸出負載有關，而對輸入電壓的上升/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管的耐壓。
圖2為一般正激式和改進型正激式開關器件兩端電壓波形Uds。
3 應用實例
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，極大地降低了工作損耗；工作頻率也從500kHz提升到1MHz。由于采用了較先進的技術，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
用于補償或電壓反饋信號直接接入。此IC已集成了軟起動電路，見圖3左側虛線框內(nèi)兩電阻和三極管可省略。
2腳 電壓反饋信號輸入端
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)部還多了一個過電流比較器，在過電流狀態(tài)時能迅速切斷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結構，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，起動電壓是12.5V,關閉電壓是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 電源變壓器設計
單端正激式變換器變壓器的設計與反激式不同，與脈沖變壓器設計一樣。
首先，需要確定變壓器最大允許溫升（Tr），這個要求可從模塊電源設計的工作溫度范圍轉換過來。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℃是相當安全的。
其次，確定開關頻率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。根據(jù)計算方法及機械尺寸要求選出磁芯形狀和大小。作為一般性的計算有：
?。?）初級匝數(shù)Np
式中：D——在Ui輸入電壓下的占空比；
Bm——最大磁感應強度（高斯）；
Br——剩磁感應強度（高斯）；
Ae——磁芯有效截面積（平方厘米）；
f——開關頻率（Hz）；
Ui——施加在初級繞組上的電壓幅值。
[!--empirenews.page--]?。?）初級電感量
初級電感量即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?。?0～20）％IP(初級最大峰值電流)。
?。?）次級匝數(shù)Ns
式中：Ui(min)——最小輸入電壓；
UMOSFET——場效應管上的電壓降；
Ud——輸出二極管的壓降；
Dmax——最大占空比。
?。?）初次級線徑
在高頻下，由于趨膚效應會使繞組等效電阻值增大。為此需要計算穿透深度Δ
式中:f——開關頻率（Hz）；
km——與材料和溫度有關的系數(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，以達到無需使用換位繞組的目的。
4 測試數(shù)據(jù)
測試的數(shù)據(jù)如表1、表2、表3所示。
5 測試線路圖
測試線路如圖3所示。
6 樣圖及說明
圖4為該電路原理的應用。V2是MOTOROLA生產(chǎn)的Udsr為100V、Rds(on)為0.25Ω、DPAK封裝的場效應管。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、負載范圍內(nèi)某一點發(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。選用的磁芯型號是PHILIPS的EFD15-3F3-Z，根據(jù)電感系數(shù)自己開出適當氣隙。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，可設計出3.3V/8A、 5V/8A、隔離和非隔離DC/DC變換器來。
通信用DC/DC模塊電源功率級一般從幾瓦至幾十瓦，輸出電壓從幾伏至上百伏，對于幾十瓦的電源，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?。?。因為模塊電源要求MTBF（平均無故障時間）1000000小時以上，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，因為罐型磁芯具有較好的屏蔽，EMI中的棘手問題——輻射也就好解決得多了。同時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PWM控制器輸出正脈沖，功率開關導通，變壓器的初級繞組流過電流，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電流，它和初次級匝比成反比，和輸出電流成正比。儲存在電感上的能量必須在功率開關關斷后下一次開啟前泄放掉，以便使磁通復位。 N3即為去磁繞組，一般N3=N1。如果設計一個36V至72V直流輸入、5V/6A輸出的模塊電源，當去磁繞組與初級繞組的匝比為1時，Udsr= 72V＋72V=144V。選用反峰Uds為200V的IRF630場效應管，僅有50V的裕量用于承受異常時和疊加在此電壓上的尖峰脈沖。場效應管的 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，對寬范圍輸入的電源設計選用高耐壓的場效應管（最高輸入直流電壓Uimax×2使用）僅僅是為了對付高端輸入有點不太經(jīng)濟?，F(xiàn)介紹一種能克服此缺點的改進型電路。
2．2 改進型正激式
當變壓器的參數(shù)和外在工作頻率滿足下列條件：
?。?）開關頻率足夠高；
?。?）磁化電流足夠??；
?。?）漏感足夠小。便不再需要去磁繞組，加在場效應管上的反峰電壓不與輸入電壓成正比，而是和所設計的最低輸入電壓下加在場效應管上的反峰電壓幾乎一樣。當（2）和（3）足夠小時，儲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、轉換時間決定。電容兩端電壓。當輸入電壓上升時，ieq減小，反之則增大；所以Ud幾乎不變。Ud僅和輸出負載有關，而對輸入電壓的上升/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管的耐壓。
圖2為一般正激式和改進型正激式開關器件兩端電壓波形Uds。
3 應用實例
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，極大地降低了工作損耗；工作頻率也從500kHz提升到1MHz。由于采用了較先進的技術，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
用于補償或電壓反饋信號直接接入。此IC已集成了軟起動電路，見圖3左側虛線框內(nèi)兩電阻和三極管可省略。
2腳 電壓反饋信號輸入端
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)部還多了一個過電流比較器，在過電流狀態(tài)時能迅速切斷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結構，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，起動電壓是12.5V,關閉電壓是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 電源變壓器設計
單端正激式變換器變壓器的設計與反激式不同，與脈沖變壓器設計一樣。
首先，需要確定變壓器最大允許溫升（Tr），這個要求可從模塊電源設計的工作溫度范圍轉換過來。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℃是相當安全的。
其次，確定開關頻率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。根據(jù)計算方法及機械尺寸要求選出磁芯形狀和大小。作為一般性的計算有：
?。?）初級匝數(shù)Np
式中：D——在Ui輸入電壓下的占空比；
Bm——最大磁感應強度（高斯）；
Br——剩磁感應強度（高斯）；
Ae——磁芯有效截面積（平方厘米）；
f——開關頻率（Hz）；
Ui——施加在初級繞組上的電壓幅值。
[!--empirenews.page--]?。?）初級電感量
初級電感量即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?。?0～20）％IP(初級最大峰值電流)。
?。?）次級匝數(shù)Ns
式中：Ui(min)——最小輸入電壓；
UMOSFET——場效應管上的電壓降；
Ud——輸出二極管的壓降；
Dmax——最大占空比。
?。?）初次級線徑
在高頻下，由于趨膚效應會使繞組等效電阻值增大。為此需要計算穿透深度Δ
式中:f——開關頻率（Hz）；
km——與材料和溫度有關的系數(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，以達到無需使用換位繞組的目的。
4 測試數(shù)據(jù)
測試的數(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）
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）
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）
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 測試線路圖
測試線路如圖3所示。
6 樣圖及說明
圖4為該電路原理的應用。V2是MOTOROLA生產(chǎn)的Udsr為100V、Rds(on)為0.25Ω、DPAK封裝的場效應管。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、負載范圍內(nèi)某一點發(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。選用的磁芯型號是PHILIPS的EFD15-3F3-Z，根據(jù)電感系數(shù)自己開出適當氣隙。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，可設計出3.3V/8A、 5V/8A、隔離和非隔離DC/DC變換器來。
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