一種基于Buck-Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電源模塊設(shè)計(jì)

劉 力，李 瑞，劉少龍，徐葉斌

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

0 引 言

隨著時(shí)代的不斷發(fā)展和進(jìn)步，智能化電子設(shè)備已經(jīng)滲透到人們生活的方方面面，電源作為智能化電子設(shè)備必不可少的一部分，人們對(duì)其要求也越來越高。相對(duì)于傳統(tǒng)線性電源體積龐大笨重、轉(zhuǎn)換效率偏低的缺點(diǎn)，開關(guān)電源具有體積小、效率高、輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)，因此成為應(yīng)用面最廣、應(yīng)用數(shù)量最多的電源[1]。

開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率來維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，其效率達(dá)到70%～95%，被譽(yù)為高效節(jié)能電源，近幾年得到了比較迅速的發(fā)展[2-5]。因此，市面上出現(xiàn)了種類繁多的集成DC/DC開關(guān)電源模塊，并被廣泛應(yīng)用。但對(duì)于某些追求經(jīng)濟(jì)效益的民機(jī)產(chǎn)品而言，批量生產(chǎn)集成的DC/DC開關(guān)電源模塊由于難以改變的體積、功率和價(jià)格高等因素的影響，并不是理想的選擇，故本文使用脈沖寬度調(diào)制控制芯片，利用Buck-Boost拓?fù)湓O(shè)計(jì)一種可調(diào)大功率穩(wěn)定輸出的電源電路，并在某型號(hào)飛機(jī)上加以應(yīng)用。

1 電源功能介紹

為了在有限的布局面積上實(shí)現(xiàn)多路大功率輸出電路，設(shè)計(jì)了一種包含多路大功率輸出的電源模塊。本文所設(shè)計(jì)電源模塊的主要功能是將外部輸入的質(zhì)量參差不齊的電能變換為多路穩(wěn)定可靠的12 V和1路28 V電能輸出。該電源模塊采用功能化、模塊化的設(shè)計(jì)方法，將電源模塊劃分為電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）及閃電防護(hù)、掉電指示、浪涌防護(hù)、功率變化、輸出保護(hù)以及輸出狀態(tài)指示等子功能部分，如圖1所示。設(shè)計(jì)核心是使用控制器LTC3789，通過改變外圍器件來實(shí)現(xiàn)功率變化、輸出保護(hù)及輸出狀態(tài)指示的功能。

圖1 電源模塊

2 LTC3789芯片介紹

LTC3789是Linear公司推出的一款高性能、具有升降壓功能的開關(guān)穩(wěn)壓控制器，可以在輸出電壓低于、等于或高于輸入電壓的情況下運(yùn)行。同時(shí)，該控制器還具有恒定頻率，其電流模式架構(gòu)允許的鎖相頻率高達(dá)600 kHz，輸出電流反饋環(huán)路用于電池充電[6]。此外，LTC3789控制器具有4～38 V的寬電壓輸入和0.8～38 V的1%電壓精度輸出，還具有可調(diào)軟啟、過流防護(hù)及輸出狀態(tài)指示功能。

3 電路設(shè)計(jì)及工作原理

3.1 Buck-Boost拓?fù)渥儞Q原理

LTC3789控制器外接4個(gè)功率MOSFET開關(guān)和1個(gè)電感組成Buck-Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具體如圖2所示，其中Q2充當(dāng)Buck拓?fù)涞睦m(xù)流二極管，能在一定程度上降低電路的損耗，提高轉(zhuǎn)換效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電壓的升降壓調(diào)節(jié)。

圖2 Buck-Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.1.1 降壓模式

當(dāng)Uin＞Uout時(shí)，該變換器工作在降壓模式下，此時(shí)開關(guān)Q4常處于關(guān)斷狀態(tài)，Q3常處于打開狀態(tài)。在開關(guān)周期開始時(shí)，開關(guān)Q2先打開，此時(shí)電感電流流過感應(yīng)電阻RSENSE，當(dāng)感應(yīng)電阻兩端的電壓下降到參考電壓時(shí)，開關(guān)Q1打開，Q2關(guān)斷，輸入源Uin對(duì)電感L進(jìn)行充電。當(dāng)監(jiān)測到輸出電壓過高時(shí)，開關(guān)Q1關(guān)斷，Q2打開，電感L進(jìn)行放電，然后開關(guān)Q1和Q2依次往復(fù)交替打開，完成對(duì)輸入電壓的斬波達(dá)到降壓的目的，類似于典型的Buck拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3.1.2 升降低壓模式

當(dāng)Uin≈Uout時(shí)，該變換器工作在升降壓模式下。在周期開始階段，如果開關(guān)Q2和Q3打開，控制器工作在降壓模式下，電感L通過感應(yīng)電阻RSENSE放電，電感電流減小[7,8]，當(dāng)RSENSE上的電壓降到內(nèi)部設(shè)置的閾值時(shí)，開關(guān)Q2關(guān)斷，Q1開始打開，Uin開始對(duì)電感L充電，電感電流通過Q3對(duì)外輸出，在120°時(shí)鐘相位處時(shí)，Q4打開，Q3關(guān)斷，控制器工作在升壓模式下，當(dāng)芯片內(nèi)部電流比較信號(hào)Icmp再次跳變時(shí)，開關(guān)Q3在剩余時(shí)鐘周期內(nèi)導(dǎo)通，從而保持電感電流近似恒定。通過對(duì)芯片內(nèi)部Icmp的不斷監(jiān)測，控制器也在升壓降壓模式下不斷跳動(dòng)，從而維持輸出電壓的穩(wěn)定[9]。

3.1.3 升壓模式

當(dāng)Uin＜Uout時(shí)，該變換器工作在升壓模式下，此時(shí)開關(guān)Q1常打開，Q2常關(guān)斷。在周期開始時(shí)，開關(guān)Q4先打開，輸入源Uin對(duì)電感L進(jìn)行充電，當(dāng)監(jiān)測到電感電流超過內(nèi)部設(shè)置的閾值時(shí)，開關(guān)Q3打開，Q4關(guān)斷，電感開始對(duì)外放電，輸入電壓Uin和電感電壓一起累加后通過Q3對(duì)外輸出，從而使輸出電壓升高，當(dāng)電感電流降低時(shí)，Q3又開始關(guān)斷，Q4打開，Uin再次對(duì)電感L進(jìn)行充電，依次往復(fù)循環(huán)從而保證輸出電壓高于輸入電壓，達(dá)到升壓的目的，類似于典型的Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3.2 電路設(shè)計(jì)

利用控制器LTC3789搭建功率變換電路，搭建原理如圖3所示。其中FB腳的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓為0.8 V，通過調(diào)節(jié)R8和R9的比值來調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，這里通過設(shè)置使輸出為12 V。采樣電阻R2是對(duì)電感電流進(jìn)行采樣，并通過Sense+腳和Sense-腳把采樣數(shù)據(jù)送入控制器從而對(duì)后續(xù)開關(guān)進(jìn)行控制。采樣電阻R5是對(duì)輸出電流進(jìn)行采樣，電流設(shè)置引腳Ilim接地、懸空及接入INTVcc時(shí)，R5對(duì)應(yīng)的限制采樣電壓分別為 50 mV、100 mV 和 140 mV，這時(shí)通過設(shè)置 R5的阻值可以設(shè)置內(nèi)部電流跳變門限值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的過流保護(hù)。這里Ilim接地，R5為10 mΩ，限流值為5 A。Mode/PLLIN為模式選擇和外部時(shí)鐘接入腳，當(dāng)該腳接地時(shí)為脈沖跳躍模式，可以在輕負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)最低的紋波，當(dāng)接EXTVcc時(shí)則工作在1個(gè)恒定頻率以滿足噪聲敏感型應(yīng)用的需求。這里接EXTVcc，使其處于恒定頻率工作模式下。Run腳為控制器的開關(guān)控制引腳，當(dāng)該腳懸空或者接1.22 V以上電壓時(shí)控制器開始工作，這里選擇懸空。SS腳為軟啟設(shè)置，通過選擇外接電容控制啟動(dòng)時(shí)間，這里選擇外接電容為 0.47 μF，啟動(dòng)時(shí)間為 0.125 ms。

圖3 電路原理

4 仿真及試驗(yàn)

4.1 Buck-Boost功能仿真

為了驗(yàn)證該電路設(shè)計(jì)對(duì)電路真實(shí)的升降壓調(diào)節(jié)效果，本文使用仿真軟件LTspice對(duì)其進(jìn)行仿真，按照電路設(shè)置參數(shù)進(jìn)行外圍電路的搭建。輸入源設(shè)置如 下：0 ～ 2 ms為 12 V；2 ～ 5 ms為 18 V；5 ～8 ms為 6 V；8 ～ 10 ms為 12 V。仿真結(jié)果如圖 4 所示。從圖4中可以看出，0～10 ms的輸出基本穩(wěn)定在12 V，紋波電壓小于1%，還可以看到電路在2 ms、5 ms、8 ms附近均出現(xiàn)較大的電壓波動(dòng)，是因?yàn)殡娐吩谶@3個(gè)點(diǎn)位附近的輸入電壓接近輸出電壓，電路工作在升降壓模式下，電路在升壓和降壓模式下不斷切換造成的。在完整的升壓模式和降壓模式下，電路輸出較為穩(wěn)定的12 V，表明該電路具有良好的升降壓調(diào)節(jié)功能。

圖4 升降壓調(diào)節(jié)仿真

4.2 帶載能力試驗(yàn)

電源模塊的工作條件為在28 V輸入下，保證12 V持續(xù)穩(wěn)定的輸出。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的電源模塊帶載能力，本文做了帶載能力的試驗(yàn)，設(shè)置輸入電壓為28 V，通過改變電子負(fù)載電流的大小來模擬不同的帶載能力，測試結(jié)果如圖5所示。負(fù)載電流越大，該電源模塊的轉(zhuǎn)換效率越高[10]。

圖5 轉(zhuǎn)換效率

5 結(jié) 論

電源是電子設(shè)備的重要組成部分，高效穩(wěn)定便捷的電源是未來的發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)此本文提出了一種基于LTC3789的Buck-Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電源模塊設(shè)計(jì)，通過對(duì)其原理及仿真分析表明該設(shè)計(jì)具有良好的升降壓調(diào)節(jié)功能。最后通過對(duì)其進(jìn)行帶載能力測試，發(fā)現(xiàn)該設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的帶載能力，并在某型號(hào)飛機(jī)上實(shí)際應(yīng)用。