基于Buck拓撲結(jié)構(gòu)的DC-DC變換器設(shè)計

李鑫彪，張 雷

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

1 引 言

DC-DC 變換器一般可按功率管在電路中的狀態(tài)分為線性型變換器和開關(guān)型變換器。線性型變換器中功率管一般工作在放大狀態(tài)，其輸入電壓值始終要比輸出電壓值高，因此，只能應(yīng)用于降壓結(jié)構(gòu)。且由于壓差的存在，線性變換器的效率偏低，限制了器件的應(yīng)用范圍。開關(guān)型變換器又稱開關(guān)型電源，其中串聯(lián)的功率管不是工作在放大狀態(tài)，而是工作在開關(guān)狀態(tài)，令器件要么工作在完全導(dǎo)通狀態(tài)，要么工作在完全關(guān)斷狀態(tài)，且其損耗很小，現(xiàn)代開關(guān)型變換器的效率一般為75%~95%,有些變換器功率密度可高達200W/in3（即12.2W/cm3）以上[1-3]。由于具有線性型變換器無法企及的特性，開關(guān)型變換器已成為近年來研究的熱點。

2 設(shè)計需求

某監(jiān)控系統(tǒng)核心控制板，由于使用了多電壓供電的FPGA、ARM 器件，在設(shè)計電源系統(tǒng)時，要求變換器的額定輸入電壓為4.5~5.5V,最大輸出電流5A,輸出電壓0.8~3.6V 可調(diào)，轉(zhuǎn)換效率不低于91%，輸出電壓溫漂在±1.5%以內(nèi)，線性、負載調(diào)整變化范圍不大于40mV，紋波不大于40mVpp。此外，還要包括自動跟蹤功能、使能/禁止控制、過壓、過流以及過溫保護等功能。當(dāng)模塊發(fā)生故障時，會觸發(fā)保護功能。

自動跟蹤功能是指在變換器開啟和關(guān)閉的過程中，變換器的輸出電壓可以相互跟蹤，也可以全部跟蹤任何外部電壓。依托這一特性，在一個電源系統(tǒng)中，對供電電源時序安排的任務(wù)可被簡化。

使能/禁止控制功能是指通過向變換器發(fā)送使能/禁止信號，控制變換器工作與否。當(dāng)使能端高于2.0V 或懸空時，變換器開始工作，輸出設(shè)定的輸出電壓；當(dāng)使能端低于0.7V 時，變換器停止工作，輸出電壓為“0”。

3 整體方案設(shè)計

3.1 拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)設(shè)計需求，所設(shè)計變換器采用典型的Buck降壓拓撲結(jié)構(gòu)，模塊中核心器件為PWM 控制器、開關(guān)器件、儲能電感和輸入、輸出濾波電容等。利用電感作為儲能元件，保證輸入電壓關(guān)斷后仍可持續(xù)向負載端輸出能量。為得到高的轉(zhuǎn)換效率，應(yīng)采取一定措施降低功率器件的損耗。Buck 降壓拓撲結(jié)構(gòu)的功能框圖如圖1所示。

圖1 Buck 降壓拓撲結(jié)構(gòu)功能框圖

工作時，通過對變換器的輸出電壓進行采樣，并與誤差放大器的輸入基準電壓Vref進行比較，比較后的結(jié)果作為后續(xù)脈寬調(diào)制比較器的輸入，再與鋸齒波Vt進行比較后形成PWM 波形。通過調(diào)整輸出PWM 波形的占空比，控制開關(guān)管Q1及續(xù)流二極管D1的導(dǎo)通或關(guān)斷。當(dāng)Q1導(dǎo)通、D1關(guān)斷時，電能一部分向負載輸出，一部分儲存在儲能電感中；當(dāng)Q1關(guān)斷、D1導(dǎo)通時，儲能電感中的能量向外釋放，從而將供電母線的電壓穩(wěn)定在設(shè)定的輸出值上。輸出濾波電容Co起平滑輸出電壓、降低輸出紋波的作用。

為實現(xiàn)設(shè)計需求中的轉(zhuǎn)換效率不小于91%，在設(shè)計中采用同步整流技術(shù)，用開關(guān)管替代圖1 中的續(xù)流二極管D1，可減小由二極管的導(dǎo)通壓降所造成的損耗，進一步提升轉(zhuǎn)換效率[4-5]。

3.2 硬件電路設(shè)計

根據(jù)設(shè)計需求及電路拓撲結(jié)構(gòu)特點，本設(shè)計選用以LM27403 為變換器的PWM 控制芯片。該芯片是TI 公司生產(chǎn)的一款具備同步整流功能的PWM 控制器。其輸入電壓范圍為3~20V，開關(guān)頻率從200kHz 到1.2MHz 可選，效率高達97%，具有7%的死區(qū)時間，可防止上下兩只開關(guān)管同時導(dǎo)通而造成短路。該芯片參考電壓為0.6V，可保證0.8V 的最小輸出電壓值。其內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 LM27403 內(nèi)部功能框圖

所選的開關(guān)管Q1和Q2的最大輸入電壓可達27V,最大輸出電流可達20A,導(dǎo)通電阻在3.6mΩ 左右，最大開關(guān)頻率為1.5MHz,滿足設(shè)計需求。在綜合考慮效率及模塊大小的基礎(chǔ)上，本設(shè)計選用700kHz作為系統(tǒng)的開關(guān)頻率。

設(shè)計電路的原理圖如圖3所示。其中，Rfb1和Rfb2為輸出電壓的分壓電阻，對輸出電壓分壓后接到LM27403 的電壓比較器中，與參考電壓進行比較，控制PWM 的占空比，從而調(diào)節(jié)輸出電壓；Rfadj為PWM頻率的調(diào)節(jié)電阻，通過選取不同的阻值，可改變變換器的開關(guān)頻率；Ruv1和Ruv2為輸入電壓的分壓電阻，用于欠電壓、過電壓和使能/禁止端的控制；Rotp用于設(shè)定過溫保護的溫度節(jié)點，改變其阻值，可設(shè)定不同的過溫保護點；Rup為模塊狀態(tài)位的上拉電阻，當(dāng)模塊正常時LM27403 的11 腳輸出高電平，出現(xiàn)異常時11 腳輸出低電平；Rvin和Cvin組成輸入端的RC 濾波器，可更好地抑制輸入端噪聲；Cin 為濾波電容，用于減小變換器對輸入電源的干擾；D1和Cboot用于構(gòu)建自舉電路，調(diào)高開關(guān)管柵極電壓，改善模塊效率；Q1和Q2為開關(guān)管，其開關(guān)狀態(tài)互為反相，控制器提供一定的死區(qū)時間，確保兩個開關(guān)管不能同時導(dǎo)通；Rs、Rcs、Riset、Cs、Ccs用于過流保護的功能，通過檢測電感兩端的電壓差，控制模塊的運行，防止變換器出現(xiàn)過電流而損壞。Qt為溫度檢測器件，依據(jù)溫度對PN 結(jié)導(dǎo)通壓降影響的特性曲線關(guān)系，通過檢測PN 結(jié)電壓，從而確定變換器的溫度；Rc1、Cc1、Cc2、Rc2、Cc3為3 型運算放大器的補償網(wǎng)絡(luò)，用于保證閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定[6-7]。

圖3所設(shè)計電路的原理圖

4 軟件仿真

為了確保硬件設(shè)計的正確性，對本設(shè)計變換器進行軟件仿真。

圖4 為本設(shè)計的開環(huán)幅頻和相頻曲線。由采樣定理可知，當(dāng)穿越頻率小于開關(guān)頻率的一半時，一般是小于開關(guān)頻率的1/6 時，系統(tǒng)具有較大帶寬，可在負載或電網(wǎng)瞬間突變時獲得快速響應(yīng)[8]。由圖4 中Loop Gain 曲線可知，系統(tǒng)穿越頻率為86kHz，小于1/6 的開關(guān)頻率，滿足系統(tǒng)動態(tài)特性的設(shè)計要求。由圖4 中Loop Phase 曲線可知，該變換器系統(tǒng)具有40°的相位裕度。一般相位裕度在45°左右時，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，超調(diào)/下沖最小。因此，電路設(shè)計的穩(wěn)定性良好。

圖4 開環(huán)幅頻和相頻曲線

圖5 為本設(shè)計變換器的效率及損耗曲線圖。由曲線可知，在額定輸出電流為5A 的情況下，開關(guān)管及電感的損耗較小，變換器的轉(zhuǎn)換效率可大于95%以上。由于仿真分析的局限性，以及元器件的差異性，實測的變換器轉(zhuǎn)換效率要小于95%。通過對大量樣塊的測量，轉(zhuǎn)換效率一般在93%左右。

圖5 效率及損耗曲線圖

5 結(jié)束語

本設(shè)計的變換器具有欠壓、過壓、過流、過溫、電壓跟蹤、使能/禁止等多種功能，具有功率密度大、調(diào)整率好、效率高、紋波小、輸出電壓可調(diào)等特點，可廣泛應(yīng)用于多電源以及對電源上電有時序要求的系統(tǒng)當(dāng)中。本變換器已經(jīng)得到了實際的工程驗證，具有良好的工程應(yīng)用價值，可在電子應(yīng)用的其他領(lǐng)域推廣。