一種新型高溫PWM控制電路的設(shè)計(jì)

丁瀚 劉林 王毅

（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

當(dāng)前高可靠、長(zhǎng)壽命、工作溫度范圍寬（-55 ～125℃）、抗環(huán)境應(yīng)力能力強(qiáng)的常規(guī)DC/DC 變換器廣泛應(yīng)用于航天、航空、兵器、船舶等各種應(yīng)用領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，整機(jī)系統(tǒng)對(duì)DC/DC 變換器的要求也越來(lái)越高，其發(fā)展方向主要為高頻化、小型化、高功率密度等。但是同時(shí)對(duì)包括抗輻照、耐極高溫、耐極低溫等在內(nèi)的耐受特殊環(huán)境能力的DC/DC 變換器的需求也越來(lái)越強(qiáng)烈。

深空探測(cè)、深井勘探、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)和內(nèi)燃機(jī)戰(zhàn)車控制系統(tǒng)中均存在高溫環(huán)境。如月球表面高溫可達(dá)127℃以上；深井測(cè)井儀器需要工作在環(huán)境溫度168℃以上；飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)工作的最高工作溫度可達(dá)93℃以上；內(nèi)燃機(jī)戰(zhàn)車控制系統(tǒng)工作的最高溫度可達(dá)90℃以上。最高殼溫125℃的常規(guī)DC/DC 變換器工作在環(huán)境溫度90℃時(shí)，考慮到外殼存在溫升，已達(dá)到現(xiàn)有產(chǎn)品能力極限，無(wú)法滿足溫度降額要求，因此這些特殊場(chǎng)合需要能夠耐受高溫的電源產(chǎn)品。

本文介紹一種應(yīng)用于185℃高溫的新型PWM 控制電路，解決了高溫環(huán)境下（185℃）無(wú)合適PWM 控制電路的問(wèn)題，突破了常規(guī)半導(dǎo)體器件175℃結(jié)溫的限制，使用全新的高溫PWM 芯片和高溫MOSFET 以及全新的電路形式，具有適用溫度范圍廣、靜態(tài)電流小、系統(tǒng)響應(yīng)性能好等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于各類高溫開關(guān)電源中。

2 電路方案設(shè)計(jì)和原理分析

2.1 主控芯片的選擇

本文涉及的PWM 控制方法，突破了常規(guī)半導(dǎo)體175℃結(jié)溫的限制，可用在最高殼溫185℃的高溫DC/DC 變換器中。因此，傳統(tǒng)Si 工藝的芯片已不再適用。

要設(shè)計(jì)出應(yīng)用于185℃高溫環(huán)境下的PWM 控制電路，就必須優(yōu)選基于Soi 工藝的新型芯片，替代傳統(tǒng)Si 工藝的芯片。本文所選用的CHT-MAGMA 芯片即為一款基于Soi 工藝的PWM 芯片，Soi工藝的芯片主要優(yōu)勢(shì)在于抗高溫，可在225℃以上的高溫環(huán)境中正常工作。

其他所用材料如電容、電阻均優(yōu)選可抗擊200℃高溫的耐高溫器件。因此可將電路整體的工作溫度由常規(guī)最高+125℃提升至最高185℃。

圖1：高溫PWM 控制電路原理框圖

圖2：預(yù)調(diào)節(jié)電路圖

2.2 電路方案的設(shè)計(jì)

基于所選用的高溫器件，設(shè)計(jì)出PWM 控制電路方案，主要包括預(yù)調(diào)節(jié)電路、開關(guān)振蕩電路、電流環(huán)路、電壓環(huán)路及欠壓保護(hù)電路。如圖1 所示。

其中，電壓環(huán)路和電流環(huán)路的功能是設(shè)置PWM 芯片的輸出占空比，開關(guān)振蕩電路的功能是設(shè)置PWM 芯片的開關(guān)頻率，預(yù)調(diào)節(jié)電路為PWM 芯片提供了供電；欠壓保護(hù)電路設(shè)置了PWM 芯片的欠壓保護(hù)點(diǎn)。

2.3 主要電路參數(shù)的設(shè)計(jì)

2.3.1 預(yù)調(diào)節(jié)電路設(shè)計(jì)

由于PWM 控制芯片無(wú)法承受30V 以上的輸入電壓，因此需要架構(gòu)預(yù)調(diào)節(jié)電路來(lái)保證芯片供電，電路圖如圖2 所示。

MOSFET 管Q18 在該電路中被當(dāng)做源極跟隨使用，電阻R51、R52 形成了VIN 與VDD5V 之間的分壓。使用的MOSFET 管為SNMOS80，可在250℃下正常工作。電容C62 起到了濾波的作用，R50 和R53 起到了抑制瞬態(tài)電流的作用，保護(hù)器件不被燒毀。

2.3.2 欠壓保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

設(shè)置欠壓保護(hù)電路可有效保護(hù)電路不在輸入電壓過(guò)低時(shí)受損，提高電路整體的可靠性，電路圖如圖3 所示。

R19，R27+R25 可對(duì)輸入電壓Vin 分壓，該分壓小與芯片內(nèi)部VREF 時(shí)，內(nèi)部比較器輸出低電平且PWM 輸出被禁止。這就保證了產(chǎn)品在輸入電壓過(guò)低時(shí)，輸入電流不會(huì)過(guò)大，避免了芯片受損。

2.3.3 開關(guān)振蕩電路設(shè)計(jì)

在PWM 芯片中，開關(guān)頻率由內(nèi)部振蕩器控制，該振蕩器的頻率為50HZ 到500KHZ 可調(diào)?？捎蓤D4 的電路設(shè)置開關(guān)頻率。

本設(shè)計(jì)中，設(shè)置開關(guān)頻率fs_typ=150kHz，根據(jù)手冊(cè)，該芯片的工作頻率可由下式計(jì)算

VDD 與DISCHARGE 之間的內(nèi)置電阻RA=38.8kΩ

THRESHOLD 與DISCHARGE 之間的內(nèi)置電阻RB=4.85kΩ

開關(guān)電容C25

2.3.4 電流環(huán)路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中采用反激拓?fù)?，因此需要電流環(huán)路，電流環(huán)路電路如圖5 所示。

匝比選擇1：60 用以降低在電流取樣時(shí)的損耗。

取樣所得的信號(hào)經(jīng)過(guò)Q5 整流，此處Q5 當(dāng)做二極管使用，整流后R2 上的電壓可由下面公式計(jì)算。

之后該信號(hào)被R11，C32 濾波之后進(jìn)入芯片17 腳。17 腳連接芯片內(nèi)部高速比較器。用以控制PWM 輸出。

2.3.5 電壓環(huán)路設(shè)計(jì)

電壓環(huán)路電路如圖6 所示。

芯片內(nèi)置的運(yùn)算放大器被用作電壓誤差放大器。輸出電壓被磁隔離變壓器反饋到原邊，之后反饋電壓被Q6,C1 整流濾波，電阻R29，R34 以及RV1 分壓輸入到芯片內(nèi)部誤差放大器，與芯片內(nèi)部基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較之后調(diào)整芯片輸出的占空比，來(lái)控制產(chǎn)品的輸出電壓。

圖3：欠壓保護(hù)電路圖

圖4：開關(guān)振蕩電路圖

圖5：電流環(huán)路電路

圖6：電壓環(huán)路電路

表1：測(cè)試指標(biāo)

圖7：Vin=25V 主開關(guān)管DS 與GS 波形

圖8：Vin=28V 主開關(guān)管DS 與GS 波形

圖9：Vin=31V 主開關(guān)管DS 與GS 波形

3 應(yīng)用實(shí)例

本文在一款28V 輸入±12V/0.5A 輸出的高溫DC/DC 變換器（最高工作溫度185℃）中，驗(yàn)證該新型高溫PWM 控制電路。

該電路在高溫185℃環(huán)境下正常工作，所測(cè)試的指標(biāo)如表1 所示。

因此可看出該高溫DC/DC 變換器產(chǎn)品在185℃的環(huán)境溫度下可正常工作，在輸入電壓在25V，28V，以及31V 的情況下，主功率MOSFET 的驅(qū)動(dòng)和漏源極波形如圖7，圖8，圖9 所示。

由此可見，該產(chǎn)品占空比可以正常調(diào)節(jié)，該高溫PWM 控制電路在產(chǎn)品中正常工作。

4 總結(jié)

本文介紹了一種新型高溫PWM 控制電路，詳述了該電路的功能、器件的選擇以及方案的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了可在185℃高溫下工作的PWM 控制電路的設(shè)計(jì)，并在高溫DC/DC 變換器中使用了該方案，驗(yàn)證了該方案的可行性。