雙路輸出正激式DC／DC變換器的設(shè)計(jì)雙路輸出正激式DC／DC變換器的設(shè)計(jì)

1、雙路輸出正激式DC DC 變換器的設(shè)計(jì)雙路輸出正激式DC DC 變換器的設(shè)計(jì)雙路輸出正激式 DC DC 變換器的設(shè)計(jì)0 引言開(kāi)關(guān)電源以其高效率、小體積等優(yōu)點(diǎn)已獲得了廣泛應(yīng)用。而轉(zhuǎn)換器是開(kāi)關(guān)電源中最重要的組成部分，轉(zhuǎn)換器有 5 種基本類(lèi)型：?jiǎn)味苏な健味朔醇な?、推挽式、半橋式和全橋式轉(zhuǎn)換器。在所有的DC DC 隔離變換器中，正激變換器是低電壓大電流功率變換器的首選拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于正激變換器使用無(wú)氣隙鐵心，電感值高，原邊和負(fù)邊峰值電流小，銅損小，所以變壓器利用率較高， 輸出效率也很高；其次，正激變換器中輸出電感器和續(xù)流二極管的存在，也可以有效衰減紋波電流。為此，本文介紹了一種采用單端正激式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2、的雙路輸出 (%26#177;6 V ，1.5 A)DC DC 變換器的設(shè)計(jì)過(guò)程。 1 電路工作原理 本變換器的電路原理框圖如圖 1 所示。當(dāng)直流輸入電壓經(jīng)過(guò)濾波電路進(jìn)入輔助電源后，即由輔助電源給控制器供電，然后在控制器作用下，用開(kāi)關(guān)管控制電流的通斷以形成高頻脈沖電流，再經(jīng)高頻變壓器， 使其在輸人為高(開(kāi)關(guān)管接通 )時(shí)整流二極管導(dǎo)通，從而使串聯(lián)電感為充電狀態(tài)，最后經(jīng)濾波電路向負(fù)載傳送能量并輸出直流電壓；相反，在輸入低電平(開(kāi)關(guān)管斷開(kāi) )時(shí)，電感為放電狀態(tài)，電路將通過(guò)續(xù)流二極管繼續(xù)向負(fù)載釋放能量，并輸出直流電壓。為了保持電壓穩(wěn)定，兩路輸出電壓經(jīng)取樣、隔離反饋電路送到控制器后將使輸出脈沖寬度隨輸出

3、電壓的變化而變化，從而穩(wěn)定輸出電壓。由于變壓器原邊繞組通過(guò)的是單向脈動(dòng)電流，為避免磁性飽和，確保勵(lì)磁磁通在每一個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始時(shí)處于初始值，設(shè)計(jì)時(shí)必須使變壓器的鐵芯磁性復(fù)位。2 控制回路的設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源普遍采用電壓型脈寬調(diào)制(PWM) 技術(shù)，而近年來(lái)，電流型 PWM 技術(shù)得到了飛速發(fā)展，本設(shè)計(jì)采用電流型控制器UC1843 來(lái)實(shí)現(xiàn)控制回路。 UC1843 工作頻率可達(dá)500 kHz ，并它具有大電流推拉式輸出，低啟動(dòng)工作電流等特點(diǎn)。電路中在開(kāi)關(guān)管通斷瞬間，必須供給柵極較大電流，并對(duì)柵源極間電容進(jìn)行快速充放電，以使開(kāi)關(guān)管高速工作。UC1843的輸出級(jí)為圖騰柱式，輸出電流為1 A 。它不必增加任何

4、外圍電路，就可將其直接接到開(kāi)關(guān)管的柵極，并驅(qū)動(dòng) VMOS 管高速工作。 UC1843具有精度高、電壓穩(wěn)定、外圍電路簡(jiǎn)單優(yōu)點(diǎn)。相比電壓型PWM ，電流型 PWM 具有更好的電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性也有明顯的改善。3 雙路輸出設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中的雙路輸出部分電路如圖2所示。由于該電路要求對(duì)稱(chēng)輸出，故將正負(fù)兩路輸出濾波電感 L1 、L2 繞制在同一磁芯上，并采用雙線并繞的方法來(lái)保證 L1 、L2 電感量完全相同。線路在接人方法上采用了差模相位關(guān)系，這種連接方法可使2 路輸出電流的變化量相互感應(yīng)，從而在一定程度上改善2 路輸出的調(diào)整率。其次。也可將采樣比較器R1 、R2 直接跨接到正負(fù)

5、電源的輸出端上。本設(shè)計(jì)的邏輯地 不是電源的輸出地而是以負(fù)電壓輸出端作為采樣比較和基準(zhǔn)電壓的邏輯地 電位。這樣，采樣誤差將同時(shí)反映出正、負(fù)2 路輸出的電壓精度變化，并對(duì)正、負(fù) 2 路同樣存在有反饋?zhàn)饔?，以在很大程度上改進(jìn)2路輸出的調(diào)整率。4 變壓器設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)主要分為兩部分，一是電路部分的設(shè)計(jì)。二是磁路部分的設(shè)計(jì)。開(kāi)關(guān)電源變壓器是高頻開(kāi)關(guān)電源的核心元件，必須進(jìn)行合理設(shè)計(jì)才能達(dá)到理想效果。一般情況下，開(kāi)關(guān)電源變壓器的選用原則如下： (1) 要有較高的飽和磁通密度 BS 和較低的剩余磁通密度 Br ，以減少變壓器的匝數(shù)和銅損。(2) 在高頻率下應(yīng)有較低的功率損耗； 因?yàn)樽儔浩鞲哳l工作時(shí)會(huì)發(fā)熱而

6、造成磁心損耗，從而影響電源輸出效率，造成波形畸變等不良后果。(3) 適中的磁導(dǎo)率；不同的相對(duì)磁導(dǎo)率適合于不同的工作頻率，比如相對(duì)磁導(dǎo)率為2000 的材料，其適用頻率在300 kHz 500 kHz 。(4) 較高的居里溫度；居里溫度是使磁性材料失去磁特性時(shí)的溫度。居里溫度值過(guò)低，高溫工作時(shí)會(huì)使磁心的飽和磁通密度嚴(yán)重跌落，從而影響正常工作。為此，本電路根據(jù)工作頻率、輸出功率、模塊體積等要求，選用磁心規(guī)格為PC40-P11 7Z-52H的TDK磁性材料。其參數(shù)見(jiàn)表1 所列。實(shí)際繞制變壓器時(shí)，先根據(jù)計(jì)算所得的變壓器匝數(shù)比，以繞滿罐為原則來(lái)繞制變壓器，再在電路中根據(jù)輸出效率要求和工作電壓范圍，來(lái)觀察開(kāi)

7、關(guān)管漏極上的電壓波形，并對(duì)變壓器匝數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。事實(shí)上，當(dāng)電源初次級(jí)匝數(shù)比增大時(shí)，電源效率會(huì)提高，但電源正常工作最小輸入電壓也會(huì)升高，電路的工作范圍變窄；而當(dāng)電源初次級(jí)匝數(shù)比減小時(shí)，電源正常工作最小輸入電壓降低，電路的工作范圍變寬，但效率會(huì)降低。圖3給出了不同匝數(shù)比時(shí)漏極上的電壓波形：其中圖 3(a)是變壓器初次級(jí)匝數(shù)比為8：7：7，初次級(jí)電感量比為 110 ：95 ，：95 的波形， 此時(shí)的電路輸出效率為75 ，最小輸入電壓為 14V；圖 3(b) 是變壓器匝數(shù)比為10 ：7：7，初次級(jí)電感量比為 180： 95： 95時(shí)的電壓波形，此時(shí)的電路輸出效率為78，最小輸入電壓為 16 V圖 3

8、(c) 是變壓器匝數(shù)比為13：7：7，初次級(jí)電感量比為246： 95： 95時(shí)的電壓波形， 此時(shí)的電路輸出效率為 81 ，最小輸入電壓為20V由此可見(jiàn)，匝數(shù)比增高，效率逐漸提高，但低端電壓逐漸上升，工作范圍變窄。本設(shè)計(jì)最后確定的初次級(jí)匝數(shù)比 11 ： 7： 7。電感量為200 ： 95 ：95 ，效率為80 。5磁復(fù)位設(shè)計(jì)本電路中變壓器的工作方式為單端正激式，變壓器磁心工作在磁滯回線的第一象限，如圖 4 所示，為了確保變壓器在磁化曲線的線性區(qū)工作，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在開(kāi)關(guān)功率管截止期間將高頻變壓器復(fù)位，并使增長(zhǎng)的磁通和減小的磁通平衡，以防止變壓器磁芯飽利。本電路在次級(jí)整流管兩端并聯(lián)了一個(gè)如圖5 所示的

9、RC 網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)磁復(fù)位。該電路相比二極管加去磁繞組復(fù)位電路，其結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。這樣，當(dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，磁感應(yīng)電流便可通過(guò)變壓器的次級(jí)繞組流出，并通過(guò)電容C 使磁感應(yīng)電流減至零。R，C 取值時(shí)， C 的電容量要足夠小，以便在最短的關(guān)斷時(shí)間內(nèi)將磁感應(yīng)電流衰減到零。 而電阻 R 的電阻值則不能過(guò)小，電阻值過(guò)小會(huì)與內(nèi)部寄生電感形成自激振蕩。磁復(fù)位時(shí)，要求在輸入電壓為最小值或最大值時(shí)，磁復(fù)位電路都能對(duì)高頻變壓器進(jìn)行準(zhǔn)確地復(fù)位。6輸出紋波電壓的降低為達(dá)到降低輸出紋波電壓的目的，設(shè)計(jì)時(shí)，首先要減小功率開(kāi)關(guān)管的電壓尖峰。 因?yàn)楫?dāng) VMOS 管由導(dǎo)通變成截止時(shí)， 在變壓器的一次繞組上就會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓和感應(yīng)電壓，其中

10、尖峰電壓是由高頻變壓器漏感(即漏磁產(chǎn)生的自感)引起的，它與直流高壓和感應(yīng)電壓疊加后很容易損壞 VMOS 管，故在設(shè)計(jì)時(shí)，要優(yōu)化功率變壓器的設(shè)計(jì)，減小變壓器初級(jí)漏感；第二，電路布線時(shí)要盡量減少 VMOS 各端點(diǎn)的連接線長(zhǎng)度， 特別是柵極引線，如果無(wú)法使引線縮短，可以靠近柵極處串聯(lián)一個(gè)小電阻，或者在漏級(jí)與地之間接上電容以減小振蕩，減低尖峰電壓；第三，應(yīng)采用合適的RC 吸收網(wǎng)絡(luò)，以減小功率開(kāi)關(guān)管的電壓尖峰；此外，整流二極管在關(guān)斷時(shí)的反向恢復(fù)時(shí)間也會(huì)導(dǎo)致尖峰電流，從而造成紋波，因此，設(shè)計(jì)時(shí)要優(yōu)選反向恢復(fù)時(shí)間短的肖特基二極管來(lái)減小尖峰；最后，LC 濾波電路要合理確定電感器的電感，應(yīng)選用高可靠、溫度性能好的高頻獨(dú)石電容為濾波電容，以減小紋波電壓。7 結(jié)束語(yǔ)本文介紹的雙路輸出正激式DC DC 變換器