一種28 V轉(zhuǎn)5 V模塊化數(shù)字電源設(shè)計

滕國飛，禹 勇，董 凱，劉衛(wèi)華

(航空工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

隨著機載設(shè)備日益復(fù)雜，其對供電電源模塊化、智能化的要求也日益提升[1]。傳統(tǒng)的采用標準磚式模塊搭建的供電模塊，通常不具備通信、監(jiān)控等智能功能。研制模塊化的數(shù)字電源具有實用意義。

通常為滿足采樣、閉環(huán)控制、監(jiān)控、通信的要求，數(shù)字電源需要應(yīng)用單片機、DSP等芯片[2,3]。近年來，專用電源管理芯片可良好地解決該問題。TI公司的UCD3138可在較小的尺寸下集成采樣、控制、通信等諸多功能，滿足電源控制與管理的需求，受到更多關(guān)注[4,5]。

在模塊化設(shè)計的諸多技術(shù)中，低溫共燒陶瓷(LTCC)具有高介電常數(shù)，適于集成電阻電容、功率器件等，適合開關(guān)電源集成場合應(yīng)用[6]。設(shè)計了一種28 V轉(zhuǎn)5 V、100 W數(shù)字控制開關(guān)電源模塊，采用硬開關(guān)全橋電路，以UCD3138為控制核心來滿足智能化要求。為實現(xiàn)模塊化設(shè)計，同步整流電路應(yīng)用LTCC工藝來實現(xiàn)，使電源集成到半磚尺寸模塊內(nèi)。測試結(jié)果表明該設(shè)計的有效性。

1 基于UCD3138的28 V轉(zhuǎn)5 V電路設(shè)計

1.1 總體設(shè)計

設(shè)計的28 V轉(zhuǎn)5 V電源輸入電壓范圍18 V～32 V，輸出電壓5 V，額定功率100 W，輸出6 A以上效率不低于85%，尺寸不超過81 mm×58 mm×12.7 mm，要求具有I2C通信及離散量狀態(tài)指示信號。

為滿足功率及數(shù)字化設(shè)計要求，設(shè)計該電源以UCD3138為數(shù)字核心芯片，采用硬開關(guān)全橋+次邊同步整流的策略。其總體框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)字電源總體框圖

如圖1，該電源分為主功率、輔助電源、信號調(diào)理及數(shù)字處理電路等部分。其中UCD3138置于變壓器次邊，實現(xiàn)采樣、PWM輸出、通信及離散量輸出等功能。輔助電源輸出多路隔離供電以滿足原、次邊的供電要求。

1.2 功率電路設(shè)計

主功率電路如圖2所示。全橋硬開關(guān)電路控制簡單，可適應(yīng)較寬的工作電壓。輸出5 V額定電流達到20 A，選擇三個MOS并聯(lián)的全波同步整流方式可有效降低損耗。通常開關(guān)頻率取100 kHz～400 kHz。權(quán)衡開關(guān)損耗和濾波電路尺寸，選擇開關(guān)頻率為200 kHz。開關(guān)MOS選擇導(dǎo)通阻抗僅4 mΩ的表貼器件以降低損耗。

圖2 功率電路示意圖

1) 變壓器變比設(shè)計

圖2中VIN的范圍是18 V～32 V，VOUT為5 V，輸出功率100 W。若開關(guān)管占空比為D，變壓器T3變比為n1∶n2∶n2，則忽略損耗變比需滿足：

(1)

因全橋電路占空比D理論最大值為0.5，即Dmax<0.5，則代入?yún)?shù)可知：

(2)

因此應(yīng)使n2/n1在留有裕量的情況下接近最小值，考慮變壓器繞制方便及占空比調(diào)節(jié)裕量等因素，取n1=5，n2=2。

2) 輸入濾波器設(shè)計

圖2中輸入濾波僅針對高頻干擾，采用保險絲F1內(nèi)側(cè)的π型濾波器實現(xiàn)。其中L1和CIN組成的二階濾波器傳遞函數(shù)就是：

(3)

取L1=470nH，CIN=2.2×7=15.4 μF，等效電阻Rfin=0.1Ω后可得：

(4)

其截止頻率在100 kHz左右，可濾除輸入電壓中的高頻干擾。

3) 輸出濾波器設(shè)計

輸出濾波器采用LC形式，主要濾除開關(guān)諧波。圖2中取L2=2.2 μH，CO由7個內(nèi)置和1個外置電容組成，容值CO=47×7+1 000=1 329 μF，等效電阻Rfout取0.05 Ω，可得傳遞函數(shù)：

(5)

在開關(guān)頻率200 kHz處，濾波器衰減達到約73 dB以上，可以有效濾除開關(guān)諧波。

2 基于LTCC的模塊化設(shè)計

為減小尺寸實現(xiàn)模塊化設(shè)計，本文電源采用圖3所示兩層印制板結(jié)構(gòu)。功率電路及輔助電源置于下層便于散熱，上層主要布置UCD3138及其外圍采樣、控制電路。輸入輸出功率接線柱由下層板引出，通信、離散量信號由上層板引出。

為提高集成度，本設(shè)計采用基于LTCC的集成工藝。將功耗較大、功率器件較多的次邊同步整流電路進行LTCC工藝的集成，可大幅減小體積，且利于散熱。LTCC部分如圖3所示。

圖3 模塊化設(shè)計與實現(xiàn)

LTCC工藝的實現(xiàn)包括打孔、填孔、印制、疊片、等靜壓、載片、排膠、燒結(jié)等步驟。采用LTCC工藝集成后，可滿足規(guī)定尺寸下的集成要求，達到了減少尺寸的目標。

3 測試驗證

對設(shè)計的電源進行不同負載下的測試，數(shù)據(jù)見表1。從表1可知，當負載電流從3A至20A的變化時，模塊輸出電壓偏差小于1%。在負載電流大于6A時，效率大于87%，滿足協(xié)議大于85%的指標，證明了該變換器樣件相關(guān)性能滿足要求。

表1 不同負載下輸出電壓及效率測試數(shù)據(jù)表

4 結(jié)論

設(shè)計了一種28 V轉(zhuǎn)5 V模塊化數(shù)字電源，以UCD3138為核心來實現(xiàn)采樣、監(jiān)控、閉環(huán)控制及通信功能。功率電路采用全橋硬開關(guān)結(jié)合同步整流的策略來適應(yīng)寬范圍輸入，并降低損耗。應(yīng)用LTCC工藝對次邊同步整流電路進行集成，來大幅減小電路尺寸，實現(xiàn)了模塊化設(shè)計。樣品實測結(jié)果證明了該設(shè)計的有效性。