一種低交叉調(diào)整率的四路輸出DC／DC變換器設(shè)計

孫 康，孫 爍

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032）

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一種低交叉調(diào)整率的四路輸出DC／DC變換器設(shè)計

孫 康，孫 爍

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032）

介紹了一款四路輸出DC／DC變換器的設(shè)計，并給出了主要技術(shù)指標(biāo)、組成方框圖、電路原理圖和變壓器的繞制方法。該設(shè)計在保證紋波噪聲、效率、體積和重量等重要指標(biāo)均滿足要求的情況下，仍具有低交叉調(diào)整率的突出優(yōu)點。

DC／DC變換器；四路輸出；交叉調(diào)整率

1 引 言

由于DC／DC變換器具有輸入與輸出端電氣隔離的特點，因而能夠切斷由供電母線引起的各種設(shè)備之間的交叉干擾，可為各類用電設(shè)備提供穩(wěn)定、干凈的供電電源。此外，DC／DC電源變換器還具有高效率、高可靠、低紋波、小體積、系列化、組態(tài)靈活的突出優(yōu)點，因而廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制、交通、通訊、雷達(dá)、導(dǎo)航、航空、宇航等國民經(jīng)濟(jì)的各個重要領(lǐng)域中。

在一部典型的電子設(shè)備中，通常包括模擬電路、數(shù)字電路、存儲電路、通訊電路、嵌入式CPU以及外部接口電路等。所需要的供電電源通常包括為模擬電路供電的正負(fù)雙電源和為數(shù)字及CPU等電路供電的數(shù)字正電源，此外，為減少外部干擾，還需要一個為外部接口供電且與前三者不共地的接口正電源。如果對電子設(shè)備的體積、重量沒有嚴(yán)格限制，這一設(shè)備可以采用四個DC／DC變換器，其中兩個變換器產(chǎn)生正負(fù)雙電源為模擬電路供電，一個變換器產(chǎn)生單一正電源為數(shù)字及CPU等電路供電，再配一只與前三者不共地的變換器為外部接口供電。但是，如果對電子設(shè)備的體積和重量都有嚴(yán)格限制，設(shè)備總師往往會對電源設(shè)計師提出苛刻的要求：用一個DC／DC變換器同時產(chǎn)生四路輸出，以便盡可能的壓縮電源部分的體積和重量。在這種情況下，如果該變換器設(shè)計的不夠精細(xì)，則四路輸出的各個負(fù)載電流發(fā)生變化時很可能產(chǎn)生交叉干擾，使電源的其他輸出發(fā)生變化，當(dāng)這種交叉干擾嚴(yán)重時，往往會造成整個設(shè)備不能正常工作。這意味著：雖然DC／DC變換器可以切斷供電母線產(chǎn)生的交叉干擾，但其自身多路輸出之間又會產(chǎn)生新的交叉干擾。衡量這種同一電源各路輸出之間交叉干擾強(qiáng)弱的技術(shù)指標(biāo)是交叉調(diào)整率。其定義是：當(dāng)其他輸出為規(guī)定的最小負(fù)載時，發(fā)生變化的輸出由其最小負(fù)載變?yōu)闈M載時，各輸出電壓的變化量與各輸出滿載時電壓之比。交叉調(diào)整率越小，說明電源各路輸出之間相互影響越小，變換器的性能越好。

在科研工作中設(shè)計了一款四路輸出DC／DC變換器，各路輸出的電壓和電流能力如表1所示。由于體積和重量的限制，該變換器恰好采用了一個DC／DC變換器同時產(chǎn)生四路輸出的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。即：一次側(cè)包括一個功率和控制電路，一個高頻變壓器，二次側(cè)為四路電壓輸出。該設(shè)計大大減小了變換器的體積和重量，同時良好的電源電路設(shè)計充分保證了使各路輸出之間相互交叉干擾的影響降到最低，具備了良好的電氣性能和較低的交叉調(diào)整率指標(biāo)?，F(xiàn)將該變換器的設(shè)計方案和主要電氣性能指標(biāo)介紹給讀者。

表1 輸出電壓、電流和功率

2 電路設(shè)計方案和主要電氣性能指標(biāo)

變換器采用反激電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其組成原理框圖如圖1所示，主要電氣性能指標(biāo)如表2所示。由圖1可知，高頻變壓器的二次側(cè)共有三組輸出，其中第一組輸出經(jīng)整流濾波后產(chǎn)生＋15V電壓輸出，該電壓也是整個反饋控制的基準(zhǔn)，由該組電壓再經(jīng)非隔離DC／DC變換器產(chǎn)生＋5V數(shù)字電壓輸出；第二組輸出經(jīng)整流濾波和低壓差串穩(wěn)后，產(chǎn)生－15V電壓輸出，由于串穩(wěn)電壓差越大，電源效率越低，所以在電源電路研制過程中需要精心設(shè)計串穩(wěn)的低壓差能力，電源的串穩(wěn)在壓差低至160mV時仍能保證0.3A負(fù)載條件下穩(wěn)定輸出－15V的電壓；第三組輸出經(jīng)整流濾波，再經(jīng)非隔離DC／DC變換器產(chǎn)生外部接口＋5V電壓，該組輸出的變壓器繞組與前兩者輸出繞組之間具有1000V／1min的絕緣強(qiáng)度，這三個輸出繞組與一次側(cè)繞組之間也具有1000V／1min的絕緣強(qiáng)度。

圖1 變換器組成原理框圖

表2 主要電氣性能指標(biāo)

3 電路設(shè)計原理

變換器電路設(shè)計原理如圖2所示，電路各部分的功能如下。CI1、CI2和LI1組成輸入濾波器，用于濾除供電母線帶來的干擾，同時阻止變換器自身產(chǎn)生的開關(guān)噪聲污染供電母線；主控芯片U1采用PI公司的DPA426R［1］，該芯片將變換器主控制芯片與功率MOS開關(guān)集成于一身，具有體積小、功能強(qiáng)的特點；R1和R2為U1限定了一次側(cè)最大輸入功率，該功能實際上也限定了變換器二次側(cè)的總輸出功率，R3限定了U1的工作電壓范圍；D1和C3組成一次側(cè)輔助電源為U1供電；線性光電耦合器U2將二次側(cè)的反饋控制信號經(jīng)過C2、R4、E1組成的濾波網(wǎng)絡(luò)后送入U1，實現(xiàn)對工作脈沖寬度的調(diào)節(jié)。

圖2 電路設(shè)計原理圖

D2和D3分別是±15V兩個二次側(cè)的高速整流器，在之后常規(guī)∏型濾波器的基礎(chǔ)上，＋15V路通過增加L2和C8增加了一級濾波器，－15V路通過增加L4和C9也增加了一級濾波器，可以使這兩路輸出電壓的紋波噪聲進(jìn)一步下降，如果PCB板布件和布線合理，這兩路輸出電壓紋波噪聲可降到約20mVP－P水平。

＋15V輸出電壓的穩(wěn)壓控制以U3為核心，采用TI公司的LM431［2］，輸出電壓經(jīng)R13和R15分壓，與U3內(nèi)部基準(zhǔn)電壓比較后產(chǎn)生反饋控制信號，經(jīng)U2送入一次側(cè)，C10和R14用于改善反饋控制的響應(yīng)速度，C6、R10和C7、R11分別用于改善反饋環(huán)路特性，R6、D4、R7、C5組成上電延時電路，使上電延時時間控制在幾毫秒至幾十毫秒的范圍內(nèi)。

－15V電壓是經(jīng)過以U4、N2和P2為核心組成的串穩(wěn)電路后輸出。－15V電壓經(jīng)R29和R30分壓，與U4內(nèi)部基準(zhǔn)電壓比較后產(chǎn)生控制電壓，該電壓通過R21控制N2的基極電流，經(jīng)N2放大后再控制功率調(diào)整管P2的基極電流，從而改變P2管的集電極電壓，實現(xiàn)－15V穩(wěn)壓輸出；以N1、P1和采樣電阻R26為核心組成限流保護(hù)電路，當(dāng)－15V輸出出現(xiàn)過流或短路現(xiàn)象時，迅速關(guān)斷N2和P2，以保護(hù)P2不會因超功耗而損壞。C12的作用非常重要，它可以避免該保護(hù)電路產(chǎn)生高頻振蕩，而喪失過流和短路保護(hù)能力。

＋5V輸出和外＋5V輸出分別經(jīng)過兩款非隔離DC／DC變換器產(chǎn)生，其中＋5V輸出經(jīng)U5型號為LM2734－Y［3］產(chǎn)生，外＋5V輸出經(jīng)U6型號為LM2738－Y［4］產(chǎn)生。這兩款非隔離DC／DC變換器均具有良好的動態(tài)響應(yīng)性能，均具有輸出過流和輸出短路保護(hù)的功能，輸入電壓范圍很寬，當(dāng)輸入電壓在7V～20V大范圍變化時仍能保證5V電壓的穩(wěn)定輸出，變換效率高于90%；LM2734－Y采用SOT23－6超小型封裝，具有1A額定負(fù)載電流能力；LM2738－Y采用eMSOP－8或LLP－8小型封裝，具有1.5A額定負(fù)載電流能力；U5的供電輸入端引自＋15V電源輸出的兩極濾波器之間，以便盡量減少其自身開關(guān)噪聲對＋15V電源輸出的影響；U6的供電由變壓器T中一個單獨的繞組N5經(jīng)高速整流和一級∏型濾波器之后產(chǎn)生，該繞組的輸出電壓未經(jīng)過閉環(huán)控制，隨著各輸出端負(fù)載電流的變化會產(chǎn)生較大的波動。由于U6對供電輸入端電壓具有寬泛的適應(yīng)能力，在這種較大波動下依然能夠保證外＋5V輸出電壓的穩(wěn)定。

4 變壓器的繞制方法

變壓器的電氣原理和管腳定義如圖3所示，變壓器磁芯選用EFD15型，采用反激工作模式。各繞組輸出電壓和電流能力如圖所示，總輸出功率約為22.5W。變壓器匝數(shù)比為：N1：N2：N3：N4：N5＝19：13：20：22：20，一次側(cè)主輸入繞組N1的電感量約為30uH，漏感小于0.8 uH。

該型變壓器的繞制原則為：主輸入繞組N1分兩層繞制，并將三個主輸出繞組包夾在這兩層之間，即將N1分成內(nèi)外兩層，將N3、N4和N5包夾在內(nèi)外兩個N1層之間。

圖3 變壓器的電氣原理和管腳定義

具體繞制步驟如下：

第一步：在骨架上繞制內(nèi)N1層19匝，外包絕緣層；

第二步：將N3和N4并排同時繞制，N3層20匝，N4層多繞2匝為22匝，外包絕緣層；

第三步：繞制N5層20匝，外包絕緣層；

第四步：繞制外N1層19匝，外包絕緣層；

第五步：繞制N2層13匝，外包絕緣層。

在上述5步驟中，關(guān)鍵是第二步，一定要將N3和N4同時繞制，以使N4的輸出電壓相對N3穩(wěn)定，以確保N3負(fù)載量最小，而N4負(fù)載量最大時，N4仍有足夠高的輸出電壓，使得－15V輸出的串穩(wěn)電路能夠正常工作，同時又不因N4的輸出電壓過高而降低電源效率。

5 結(jié)束語

本設(shè)計很好解決了多路輸出DC／DC變換器的體積、重量和多路輸出交叉影響的矛盾，確保了變換器具有低交叉調(diào)整率的同時，仍具有較高的電源效率，可為讀者提供有益參考。

［1］DPA426R.Management Team of Power Integrations，Power Controller［DB／OL］.www.powerint.com.

［2］LM431.Management Team of TI，Regulator Control［DB／OL］.www.national.com.

［3］LM2734－Y.Management Team of TI，Non－Isolated Converters［DB／OL］.www.national.com.

［4］LM2738－Y.Management Team of TI，Non－Isolated Converters［DB／OL］.www.national.com.

Design of Converter w ith 4－Rout Output DC／DC Low Cross Regulation

SUN Kang，SUN Shuo
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

The design of converter with 4－rout output DC／DC is described in this paper.Themain technical specifications，the composition diagram，the circuit principle and reel method are given.The design has the excellent advantage of low cross regulation when the conditions of ripple noise，efficiency，volume and weightmeet the requirements.

DC／DC converter；Four output；Cross regulation

10.3969／j.issn.1002－2279.2014.06.020

TP29

：B

：1002－2279（2014）06－0070－04

孫康（1955－），男，沈陽人，高級工程師，主研方向：電子工程項目研制和電子產(chǎn)品的開發(fā)。

2014－09－10