DC／DC電源模塊功率老煉試驗過程中的能量回收

高 峰，劉建生

（天水華天749電子有限公司，甘肅 天水 741000）

1 引言

目前隨著開關電源技術的日益成熟，DC/DC電源模塊被廣泛應用于工業(yè)及控制、通訊、國防等各個領域；而對于不同領域的DC/DC電源模塊用戶而言，他們對于DC/DC電源模塊質量可靠性的要求也在不斷提高。因此，生產(chǎn)廠家在DC/DC電源模塊生產(chǎn)過程中需要根據(jù)用戶的要求對DC/DC電源模塊進行一系列的質量可靠性試驗，其中功率老煉試驗就是用來剔除早期失效產(chǎn)品的可靠性試驗之一。

2 基本原理

在DC/DC電源模塊功率老煉試驗的過程中，通常需要在特定的環(huán)境和輸入電壓條件下，對DC/DC電源模塊在規(guī)定時間內施加額定輸出功率的負載進行質量可靠性的試驗。如圖1所示為典型的功率老煉試驗線路。

圖1 典型的功率老化壽命試驗線路

在圖1中，VS為直流電源、Vi為輸入電壓、Ii為輸入電流、Vo為輸出電壓、Io為輸出電流、RL為功率負載（純電阻負載或電子負載）、DC/DC電源模塊的輸入功率 Pi＝Vi×Ii、輸出功率 Po＝Vo×Io。

在DC/DC電源模塊實際的功率老煉試驗的過程中，由于功率負載RL無論是純電阻負載還是電子負載，它都是要將DC/DC電源模塊輸出的功率Po，通過功率負載RL轉化為熱量的方式即W＝Po×t＝I2o×RL×t來完成對 DC/DC 電源模塊功率老煉試驗的過程，而這一過程中由功率負載RL所產(chǎn)生的熱量往往是通過空氣散熱的方式排放到空氣中。因此在DC/DC電源模塊功率老煉試驗的過程中，如果這部分熱量不加以回收利用就會造成能量的白白浪費，那么如何來減小這部分能量的浪費呢？下面簡要說明如何將DC/DC電源模塊輸出的功率Po進行能量的轉化并加以回收利用的基本原理。如圖2所示為能量轉換電路原理。

圖2 能量轉換電路原理

從圖2可以看出，這時DC/DC電源模塊輸出的功率Po不再通過功率負載RL轉化為熱量，而是采用轉換電路將DC/DC電源模塊輸出的功率Po轉化到DC/DC電源模塊的輸入端。

現(xiàn)在以輸出功率Po＝20W、工作效率η＝80%的DC/DC電源模塊舉例說明，如果該電源模塊采用圖2所示的功率老煉試驗線路，假設DC/DC電源模塊的輸出功率Po能夠通過轉換電路進行100%的能量轉化并輸出到DC/DC電源模塊的輸入端，那么就可以得出直流電源Vs實際輸出功率下降為Pi－Po＝Po／η－Po＝25W－20W＝5W。從上式可以看出，由于此時DC/DC電源模塊輸出的功率Po通過轉換電路100%地輸出到DC/DC電源模塊輸入端，因此直流電源Vs所提供的功率僅為DC/DC電源模塊內部損耗功率即Pi－Po。因此通過對圖2所示轉換電路原理的分析，可以通過能量轉換的方式實現(xiàn)DC/DC電源模塊在功率老煉試驗過程中的能量回收及循環(huán)利用，從而達到了產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中的節(jié)能降耗和提高能效的目的。

3 電路結構

根據(jù)上述能量轉換電路的原理，能量轉換電路結構應具有對DC/DC電源模塊輸出功率進行控制和能量轉化的基本性能。而對于大多數(shù)DC/DC電源模塊而言，由于它們的輸出電壓Vo基本都是保持恒定的，因此可以將能量轉換電路等效成為一種電流受控的恒功率源控制電路。下面以小功率的DC/DC電源模塊說明能量轉換電路的基本結構形式。

（1）對于小功率的非隔離型DC/DC電源模塊，其能量轉換電路可以根據(jù)DC/DC電源模塊輸入、輸出電壓條件的不同采用Buck型或Boost型電源變換器作為轉換電路的主要結構形式，如圖3、4所示。

圖3 Buck型轉換電路

圖4 Boost型轉換電路

（2）對于小功率的隔離型DC/DC電源模塊，其能量轉換電路可以采用多種形式的線路結構，下面以正激式和反激式電源變換器作為轉換電路的主要結構形式，如圖5、6所示。

圖5 正激式轉換電路

圖6 反激式轉換電路

以上舉例的4種轉換電路結構形式，雖然在線路結構上有所差別，但是其工作原理基本一致，都是通過電阻元件Rs及控制電路對DC/DC電源模塊的輸出電流Io進行采樣、比較來控制開關元件T1的脈沖寬度，從而達到穩(wěn)定DC/DC電源模塊輸出電流Io大小的目的；同時通過轉換電路中的開關元件T1、儲能元件L、C將DC/DC電源模塊輸出的功率Po進行能量轉化并穩(wěn)定地輸出到DC/DC電源模塊的輸入端。

4 應用舉例

下面以輸出功率Po＝100W、輸入電壓Vi＝24V、輸出電壓Vo＝15V的隔離型DC/DC電源模塊為例，簡要說明能量轉換電路的設計思路及主要環(huán)節(jié)。

4.1 設計思路

對于輸出功率為100W的隔離型DC/DC電源模塊而言，其能量轉換電路在設計時主要從以下兩個方面進行考慮。

（1）結構設計

轉換電路結構的設計主要是根據(jù)DC/DC電源模塊輸出Po功率的大小、輸入電壓Vi/輸出電壓Vo的比值以及是否需要電氣隔離等綜合因素來確定選擇合適的線路結構。在本例中，由于考慮到DC/DC電源模塊輸出功率Po較大且有電氣隔離的要求，因此在轉換電路結構設計時選用推挽式變換器作為轉換電路的主要結構形式，具體的轉換電路結構如圖7所示。

（2）元器件參數(shù)的選擇

在元器件參數(shù)選擇方面，需要選擇合適的控制電路芯片和符合電路使用要求的元器件參數(shù)。在本例中，首先根據(jù)確定的轉換電路結構選用具有雙端互補輸出結構的PWM型控制電路芯片SG3525；其次需要根據(jù)轉電路對開關管、整流管、高頻變壓器及儲能電感等元件的電壓、電流、頻率等參數(shù)的要求進行合理的參數(shù)選擇和冗余設計，尤其對于高頻變壓器、儲能電感等元件的磁性參數(shù)設計需要進行必要的試驗驗證。

4.2 主要環(huán)節(jié)

（1）電流控制

電流控制部分由電流取樣電阻R8、脈寬調制電路 SG3525內部電壓比較器（V＋、V－、COMP）及RW1、R7、C4等元件構成它是通過電阻R8、內部電壓比較器對DC/DC電源模塊輸出電流Io進行電壓采樣及信號放大，并與脈寬調制電路內部三角波比較器及驅動電路構成脈寬型電流控制回路，用以調節(jié)開關管驅動脈沖寬度來控制DC/DC電源模塊輸出電流Io的大小。

（2）能量轉化

圖7 100W轉換電路結構示意圖

能量轉化部分由開關管T1、T2，高頻變壓器Tr等元件構成；它是利用開關管T1、T2對流經(jīng)高頻變壓器Tr初級的電壓、電流I進行高頻開關變換，使通過高頻變壓器Tr初級的功率能夠高效地耦合到高頻變壓器Tr的次級回路。

（3）功率輸出

功率輸出部分由整流二極管D1、D2，濾波電感L2及電容C5、功率三極管T2等元件構成；它是通過整流二極管D1、D2對高頻變壓器Tr次級輸出的交流方波進行整流、濾波并通過功率三極管T2向DC/DC電源模塊輸入端進行能量的傳輸。

在上述轉換電路的實際工作過程中，DC/DC電源模塊啟動時所需輸入功率Pi由直流電源VS全部提供，而在DC/DC電源模塊啟動過程完成后所需輸入功率Pi則由轉換電路和直流電源VS共同提供。另外需要說明的是，由于任何形式的能量轉換電路在實際使用時并不能將所有能量進行100%的轉化輸出，因此轉換電路工作時所提供的實際功率要比理想狀態(tài)下小一些。

5 結束語

以上能量轉換電路在DC/DC電源模塊功率老煉試驗的過程中不僅可以有效減少能量的浪費，而且能夠提高能效的循環(huán)利用水平，這對于企業(yè)內部促進節(jié)能降耗工作具有現(xiàn)實意義；同時，由于上述轉換電路本身會在能量轉化部分產(chǎn)生高頻干擾噪聲，因此對于DC/DC電源模塊能量轉換電路結構設計時必須考慮電磁兼容性方面的設計優(yōu)化，用以滿足不同類型的DC/DC電源模塊在功率老煉試驗過程中的電磁抗干擾要求。另外，對于其它一些輸出功率較小或對功率負載有特殊要求的DC／DC電源模塊則不適合應用以上能量轉換電路進行功率老煉的試驗過程。

［1］張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計［M］.北京：電子工業(yè)出版社.