一種超低輸出紋波DC/DC電源的設(shè)計(jì)

劉林 王多笑 金陽(yáng)

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十三研究所 安徽省合肥市 230088）

1 引言

目前在數(shù)字邏輯電路、圖像處理電路等對(duì)噪聲比較敏感的電路中通常采用噪聲電壓較低的線性電源進(jìn)行供電，但是線性電源存在轉(zhuǎn)換效率低的缺點(diǎn)。隨著電子系統(tǒng)小型化的發(fā)展，電子系統(tǒng)對(duì)超低輸出紋波噪聲且高轉(zhuǎn)換效率的開(kāi)關(guān)電源有著越來(lái)越強(qiáng)烈的需求。本文中設(shè)計(jì)的超低輸出紋波DC/DC 電源同時(shí)具有超低輸出紋波電壓和高轉(zhuǎn)換效率兩種優(yōu)點(diǎn)，為整機(jī)系統(tǒng)的小型化及更新?lián)Q代提供了高可靠、高純凈的二次電源。

2 電路方案設(shè)計(jì)

本文所要完成的電路基本要求是：

（1）輸入電壓：18V；

（2）輸出直流電壓：+5V；

（3）輸出功率：7.5W；

（4）輸出紋波電壓： ≤10mV；

（5）輸入與輸出相互之間隔離。

2.1 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

電路選擇了相對(duì)簡(jiǎn)單的反激式電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路簡(jiǎn)單，所需的元器件較少，主要適用于中小功率電源電路。且反激電路作為成熟技術(shù)，可以有效地保證電路的可靠性。

電路原理框圖如圖1 所示：采用單端反激式結(jié)構(gòu)，由高頻變壓器、功率開(kāi)關(guān)管、脈寬調(diào)制單元（PWM）、整流電路、濾波電路、取樣比較電路、光耦隔離電路等電路組成。

2.2 超低輸出紋波電壓的設(shè)計(jì)

如果電路的輸出紋波電壓較大，會(huì)對(duì)輸出端后級(jí)的負(fù)載產(chǎn)生影響，產(chǎn)生不必要的干擾。目前常規(guī)DC/DC 電源的紋波電壓一般要求達(dá)到50mV 以下即可，而本電路要求在帶寬輸出紋波電壓低于10mV，對(duì)輸出紋波要求很高，因此電路針對(duì)輸出紋波電壓進(jìn)行了優(yōu)化，具體優(yōu)化措施如下：

（1）優(yōu)化次級(jí)整流濾波電路的版圖布局，減少走線長(zhǎng)度，增大地線寬度；

（2）優(yōu)化變壓器走線方向，減少變壓器抽頭的長(zhǎng)度；

（3）如圖2 所示在輸出端設(shè)計(jì)了差模和共模濾波相結(jié)合的濾波電路，減少紋波電壓。

經(jīng)過(guò)優(yōu)化電路的輸出紋波電壓可以達(dá)到10mV 以下。

圖1：電路工作原理框圖

圖2：輸出整流濾波電路

圖3：控制電路

圖4：優(yōu)化前的啟動(dòng)過(guò)沖波形

圖5：優(yōu)化后的啟動(dòng)過(guò)沖波形

表1：主要技術(shù)指標(biāo)實(shí)測(cè)結(jié)果

2.3 輸出啟動(dòng)過(guò)沖的抑制

在研制過(guò)程中發(fā)現(xiàn)采用輸入電源作為觸發(fā)，啟動(dòng)時(shí)電路輸出電壓?jiǎn)?dòng)過(guò)沖較小，但是改為控制信號(hào)觸發(fā)啟動(dòng)時(shí)時(shí)的輸出電壓過(guò)沖較大達(dá)到了500mV。

經(jīng)過(guò)電路的分析研究發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象是由于啟動(dòng)時(shí)電壓建立時(shí)間過(guò)快導(dǎo)致反饋控制電路未能發(fā)揮穩(wěn)壓作用。通過(guò)將控制電路由控制PWM 芯片的電流感應(yīng)端電平改為控制PWM 芯片供電電路，啟動(dòng)過(guò)沖由500mV 減小到100mV。

優(yōu)化后控制電路如圖3，優(yōu)化前后啟動(dòng)波形對(duì)比如圖4 和圖5。

電路優(yōu)化前的啟動(dòng)過(guò)沖的波形如圖4。

電路優(yōu)化后的啟動(dòng)過(guò)沖的波形如圖5。

從圖4 和圖5 中，可以明顯的看出，優(yōu)化攻關(guān)后對(duì)啟動(dòng)過(guò)沖得到了有效抑制。

2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)

研制時(shí)電路外殼采用冷軋鋼金屬全密封封裝外殼，引線為雙列直插，可以減小電磁干擾，提高產(chǎn)品的可靠性，延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命。對(duì)外殼進(jìn)行了鍍鎳處理，這樣大大提高了產(chǎn)品的抗鹽霧能力。

電路工藝上采用厚膜混合集成電路微組裝工藝。在96%的Al2O3陶瓷基片上成膜（絲網(wǎng)印刷技術(shù)）之后，再把裸芯片、變壓器和阻容元件等組裝上去，最后進(jìn)行密封。電路中芯片焊接采用再流焊工藝和導(dǎo)電膠粘接工藝；芯片鍵合采用金絲鍵合和鋁絲鍵合工藝；變壓器和電感均采用絕緣膜絕緣膠粘接固定，引線端頭采用手工焊進(jìn)行連接；在電路內(nèi)部抽真空充氮?dú)夂蟛捎闷叫锌p焊工藝對(duì)外殼進(jìn)行氣密封口。

陶瓷基板和金屬外殼的耐高溫性能和抗機(jī)械應(yīng)力能力比較優(yōu)異，內(nèi)部所充的氮?dú)鉃槎栊詺怏w可以有效的保護(hù)裸芯片不被氧化。這樣研制出來(lái)的電路，具有長(zhǎng)壽命、工作溫度范圍寬、高可靠等優(yōu)點(diǎn)。

3 電路達(dá)到的性能

采用厚膜混合集成工藝和金屬氣密封裝技術(shù)研制的超低輸出紋波電源樣品實(shí)測(cè)的主要技術(shù)指標(biāo)如表1 所示?？梢钥闯?，該電源具有輸出電壓穩(wěn)定、超低輸出紋波和工作溫度范圍寬等特點(diǎn)。

4 總結(jié)

本文介紹了一種超低輸出紋波電壓DC/DC 電源的設(shè)計(jì)，詳述了電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、超低輸出紋波電壓的設(shè)計(jì)和輔路抗過(guò)載設(shè)計(jì)等，該電路具有超低輸出紋波和轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點(diǎn)可以應(yīng)用于各種對(duì)電源噪聲敏感并對(duì)功耗要求高的場(chǎng)合。