一種反激式雙輸出DC/DC變換器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄧海飛

（深圳寶礫微電子有限公司，廣東深圳 518000）

1 DC/DC變換器工作原理

反激式雙輸出DC/DC 變換器是電力系統(tǒng)能量傳輸?shù)闹饕橘|(zhì)。這種器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率密度高、能量流動(dòng)雙向，可廣泛應(yīng)用于各種電子領(lǐng)域。

1.1 主電路拓?fù)?/h3>

根據(jù)開關(guān)電源的功率設(shè)計(jì)要求和功率要求，分析了主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為了有效地抑制主管的電壓振蕩，需要通過減小反向電流來降低功率損耗。與普通二極管相比，增加了箝位二極管。與普通二極管相比，導(dǎo)電電阻更小，整個(gè)電流導(dǎo)電路徑的能量損耗被抑制，并形成同步整流管的輸出濾波器，電壓控制功能更強(qiáng)。

1.2 工作過程分析

與傳統(tǒng)的移位全橋變換器相比，采用二極管箝位的DC/DC 變換器后，改進(jìn)的主電路拓?fù)鋵?duì)整個(gè)電壓有更好的控制效果。它以時(shí)間等效電路的形式調(diào)節(jié)負(fù)載電流的流量，提高了電流兩端諧振電感的匹配度，避免了電壓峰值過高對(duì)輸出整體電流的電壓抑制作用。當(dāng)?shù)刃щ娐穲D中反向充電電流消失時(shí)，電感電流不能發(fā)生突變，電流流量值不能迅速減小到兩端輸出電流相等的狀態(tài)。SR 管兩端的電壓可以被抑制。通過上升斜率計(jì)算公式，匹配變壓器從一次側(cè)到二次側(cè)的輸出功率，可以達(dá)到自動(dòng)停機(jī)的效果。

1.3 SR管的驅(qū)動(dòng)邏輯選擇

SR 管的邏輯驅(qū)動(dòng)原理與管上電流波形產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)相匹配，驅(qū)動(dòng)信號(hào)主要由三種邏輯形式產(chǎn)生：相同的滯后臂邏輯、和或邏輯。當(dāng)SR 管不產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，流過體二極管的電流的導(dǎo)體降壓效果會(huì)比普通二極管高，盡量讓電流通過通道而不是體二極管。在對(duì)比分析中可以發(fā)現(xiàn)，電流控制與使用或邏輯傳輸通道的時(shí)間比最高，整體功率損耗最低，適用性最強(qiáng)。

1.4 DC/DC變換器損耗計(jì)算

在計(jì)算DC/DC 變換器損耗時(shí)，有必要從開關(guān)導(dǎo)通線路驅(qū)動(dòng)損耗反向恢復(fù)的4個(gè)方面進(jìn)行分析和考慮。以等效模型圖為核心進(jìn)行開通試驗(yàn)研究，可以發(fā)現(xiàn)在MMS 管中加入柵極電壓后，通過充電效應(yīng)可以達(dá)到開通閾值電壓。此時(shí)MOS 管導(dǎo)通漏極電流逐漸上升，上升到平臺(tái)電壓水平，并開始充電以保持穩(wěn)定的電壓狀態(tài)，直到導(dǎo)通完成。變流器損耗功率的計(jì)算主要分為前一級(jí)損耗計(jì)算和后一級(jí)損耗計(jì)算。在不同開關(guān)方式的差異下，繪制功率損耗表可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的總損失率隨著開關(guān)頻率的變化而逐漸變化，且呈正相關(guān)關(guān)系。

1.5 數(shù)字峰值電流控制

數(shù)字峰值電流控制系統(tǒng)主要是基于DC/DC 變換器進(jìn)行先進(jìn)段段控制，以增強(qiáng)模數(shù)信號(hào)變換器、高精度匹配器和數(shù)字模擬變換器之間的匹配。同時(shí)結(jié)合可編程補(bǔ)償器提供斜率補(bǔ)充，消除了次諧波振蕩的影響。一次電流與參考后的輸出電壓進(jìn)行比較，插補(bǔ)輸入數(shù)字控制。通過數(shù)字模擬器的信號(hào)比較功能，進(jìn)一步控制探測(cè)儀出波的驅(qū)動(dòng)效果，達(dá)到電壓和電流的控制目標(biāo)。

1.6 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述DC/DC 變換器的工作原理發(fā)現(xiàn)SR 管的驅(qū)動(dòng)方式以及邏輯選擇流程在計(jì)算損耗量之后進(jìn)行峰值電流控制系統(tǒng)的處理與應(yīng)用，主要分析主電路的參與計(jì)算方式，在各參數(shù)的設(shè)定下調(diào)整電壓、電流變壓器、諧振電感、濾波、電感等數(shù)值，利用這些數(shù)值對(duì)變換器進(jìn)行仿真模擬處理，通過數(shù)值對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)變壓器兩端電壓基本沒有電壓峰值，再加入箝形二極管后可以有效消除整流管上的電壓峰值，但箝形二極管在一個(gè)周期中只能導(dǎo)通一次，控制作用十分有限，所帶來的導(dǎo)電損耗能夠說明仿真設(shè)計(jì)流程的合理性和科學(xué)性。其次，通過比較電壓和電壓波形前后兩端的整流管箝位二極管，它可以分析零電壓軟開關(guān)是否可以打開在一定寬度和他們是否滿足額定負(fù)輸出條件下額定電壓輸出條件。通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)調(diào)查和實(shí)驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的星載充電DC/DC 變換器符合仿真結(jié)果。在峰值和電流控制的情況下，模擬實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中的波形，可以有效地控制一次電壓以及電壓和電流的傳輸，盡可能實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)驗(yàn)的一致性，提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果的合理性。最后可以發(fā)現(xiàn)，在額定輸入電壓不變的情況下，負(fù)載的突然增加和突然減少都會(huì)影響輸出電壓和輸入電流波形，從而使整個(gè)電壓間隙值具有良好的抗干擾性能和動(dòng)態(tài)性能。結(jié)合效率和負(fù)載變化不同電壓條件下，它可以發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的輸出電壓加載在負(fù)載電流輸出范圍寬將改變效率的增加，然而，即使負(fù)載的增加再次達(dá)到一定的負(fù)載后，效率變化很小。

2 一種反激式雙輸出DC/DC變換器的設(shè)計(jì)原則

本產(chǎn)品整機(jī)母線電壓為28 V，整機(jī)中一些儀器和電路的運(yùn)行需要5 V 的電壓。本產(chǎn)品的作用是將8 V母線電壓隔離轉(zhuǎn)換為5 V，供整機(jī)儀器和電路使用。該產(chǎn)品采用光耦隔離反饋、正向有源嵌入、同步整流拓?fù)?，通過內(nèi)部變壓器將8 V 輸入電壓轉(zhuǎn)換為5 V 輸出電壓。輸出電壓由誤差反饋穩(wěn)定控制，輸出紋波由濾波電路有效控制。

2.1 研制目標(biāo)

輸入電壓（范圍）：28 V（18～36 V）；輸出電壓（范圍）：5 V；輸出電流：30 A；輸出功率：150 W；輸入/輸出隔離：隔離；外形尺寸：57.91×36.83×12.7 mm3；工作溫度范圍（TC）：-55～+100 ℃。

2.2 電路設(shè)計(jì)

2.2.1 設(shè)計(jì)原則

該產(chǎn)品采用同步整流有源箝位正向DC/DC 拓?fù)?，由輸入濾波電路、功率轉(zhuǎn)換電路、整流濾波電路、PWM 控制電路、采樣反饋穩(wěn)壓電路、輔助電源電路和保護(hù)電路組成。結(jié)合本設(shè)計(jì)中輸出電壓低、電流大的特點(diǎn)，選擇同步整流有源箝位正向DC/DC 拓?fù)渥鳛橹麟娐方Y(jié)構(gòu)。功率轉(zhuǎn)換電路主要由開關(guān)轉(zhuǎn)換電路和高頻變壓器組成。輸入端能量通過轉(zhuǎn)換電路傳輸?shù)捷敵龆耍_(dá)到電壓轉(zhuǎn)換和輸出電壓調(diào)整的目的。設(shè)計(jì)采用了同步整流、有源箝位正向DC/DC 變換器電路和平面變壓器結(jié)構(gòu)。整流濾波電路的作用是降低輸出電壓的紋波電壓，從而降低DC/DC 變換器對(duì)負(fù)載的沖擊。LC 濾波電路是本次設(shè)計(jì)的輸出濾波電路。反饋穩(wěn)壓電路檢測(cè)開關(guān)電源的輸出電壓的變化，比較其與參考電壓，和線性反饋控制電路的誤差信號(hào)通過光耦合器，通過控制電路和調(diào)整它使電源工作在一個(gè)安全的狀態(tài)。保護(hù)電路主要包括輸入電壓過壓欠壓、輸出電流過流、短路和熱保護(hù)。輸出過流、短路采用逐周、關(guān)斷保護(hù)組合，確保過流精度高、短路工況模塊安全；本電路設(shè)計(jì)采用SG5025電壓模式PWM 控制器，可提供完成有源嵌入式變換所需的主、輔助開關(guān)信號(hào)；提供前饋功能、循環(huán)短路、過溫關(guān)斷、滯回開設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品安全性；自備內(nèi)部電源電路，簡(jiǎn)化外圍設(shè)計(jì)；能否很好地滿足設(shè)計(jì)要求

2.2.2 主變換和同步整流電路的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用正激勵(lì)源鉗位，其工作原理是：當(dāng)主開關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓Vin全部加在變壓器勵(lì)磁電感兩端，變換器將能量通過變壓器傳輸給負(fù)載，變壓器磁芯正向勵(lì)磁，此過程為功率傳輸過程；當(dāng)主開關(guān)管Q1關(guān)斷時(shí)，勵(lì)磁電流對(duì)主開關(guān)管等效結(jié)電容進(jìn)行充電，當(dāng)漏極電壓充到大于輸入電壓時(shí)，鉗位管Q2的體二極管導(dǎo)通，隨后柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)接入，鉗位管Q2導(dǎo)通，給嵌位電容C3充電，而主變壓器初級(jí)線圈電壓變成了-VinD/（1-D），反向勵(lì)磁，勵(lì)磁電流逐步減小直至為零，此時(shí)主開關(guān)漏極電壓達(dá)到最大Vc3=Vin/（1-D），勵(lì)磁電流反向繼續(xù)對(duì)初級(jí)進(jìn)行反向磁化，將勵(lì)磁能量和變壓器漏感儲(chǔ)存能量送回電源，變壓器將工作于一、三象限，擴(kuò)大了變壓器的有效利用，減少體積、銅損、漏感損耗；接著關(guān)斷Q2，勵(lì)磁電流不能突變，將對(duì)Q2結(jié)電容充電，對(duì)Q1結(jié)電容諧振放電，當(dāng)Q1漏極電壓被諧振到-VD時(shí)，體二極管導(dǎo)通，此時(shí)接入驅(qū)動(dòng)信號(hào)完成主開關(guān)零電壓開通，下一個(gè)周期開始。從以上簡(jiǎn)述工作過程。

2.2.3 關(guān)鍵問題的解決

（1）高密度、高集成度問題。產(chǎn)品內(nèi)部有效空間只有54.9 mm×25 mm×10 mm，將電路圖中所示的所有原始器件集成在一起也是一個(gè)非常困難的問題。為此，我們采用多層PCB 設(shè)計(jì)，下板通過引腳與5 mm厚的鋁基板連接組裝，保證產(chǎn)品良好的散熱。同時(shí)，內(nèi)部組件全部包裝成小尺寸。已準(zhǔn)確測(cè)量上、下板裝配位置偏差。經(jīng)過兩次對(duì)布局尺寸偏差的修正，確定了PCB 板和鋁基板的加工尺寸和各部件的位置，制定了完善的裝配工藝要求，制作出了產(chǎn)品專用的裝配焊接模具。組裝后的產(chǎn)品指標(biāo)達(dá)到要求，最終解決了產(chǎn)品的高密度和高集成度的問題。

（2）國(guó)產(chǎn)化率問題。對(duì)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)成熟、有一定質(zhì)量保證的零部件生產(chǎn)廠家進(jìn)行審核。我們對(duì)供應(yīng)商進(jìn)行調(diào)查和評(píng)估，了解供應(yīng)商提供的產(chǎn)品的質(zhì)量、周期、資金、售后服務(wù)部門的態(tài)度和能力。只有經(jīng)過調(diào)查評(píng)估符合要求的供應(yīng)商，才能初步列入合格供應(yīng)商名單。我們對(duì)合格供應(yīng)商進(jìn)行定期評(píng)估，主要提供零部件合格率、供貨周期、價(jià)格合理性等，以確保持續(xù)的質(zhì)量保證能力。對(duì)供方提供的零部件進(jìn)行嚴(yán)格的進(jìn)料檢驗(yàn)，檢查供方提供的零部件是否符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)文件的相關(guān)要求、規(guī)格的正確性、尺寸的符合性等。采購(gòu)?fù)瓿珊?，?duì)供應(yīng)商提供的產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行跟蹤，并做好跟蹤記錄，并注明使用年份，以便對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有更深入地了解，提供進(jìn)一步合作的可行性。該電源模塊共有53個(gè)元器件來自中國(guó)，產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化率100%。

3 DC/DC變換器的電流應(yīng)力和傳輸功率

在實(shí)際的計(jì)算過程中，相應(yīng)的電流應(yīng)力和傳動(dòng)功率可以根據(jù)當(dāng)前的物理原理，計(jì)算然后當(dāng)前的雙重壓力和傳動(dòng)功率活躍橋直流/直流轉(zhuǎn)換器可以計(jì)算出不同的操作狀態(tài)下，以計(jì)算最合適的能力。計(jì)算中可以看出，一般情況下，整個(gè)電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的最大電流表達(dá)式為：

另外，在進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候可以發(fā)現(xiàn)在EPS 運(yùn)行狀態(tài)之下的電流表達(dá)式為：

通過對(duì)計(jì)算過程中的各個(gè)功率進(jìn)行探究，可以發(fā)現(xiàn)在計(jì)算過程中，可以得到不同運(yùn)行條件下的功率計(jì)算結(jié)果，得到理想狀態(tài)下最合適的電流和功率表達(dá)式如下：

一般來說，電壓和電流之間的參考值是在計(jì)算時(shí)得到的。通過以上計(jì)算分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，電壓、電流在不同狀態(tài)下的參考值為：

當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)處在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的情況下，可以得出的標(biāo)準(zhǔn)化表達(dá)式為：

當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行處于EPS 運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，功率和電流的表達(dá)式為：

4 DC/DC變流器電流應(yīng)力最小的優(yōu)化策略分析

為了得到最有效的優(yōu)化反激式雙輸出Dc/Dc 變換器最小電流應(yīng)力的方法，可以利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，其中最典型的數(shù)學(xué)模型是拉格朗日函數(shù)。拉格朗日函數(shù)是在力學(xué)系上只有保守力的作用，則力學(xué)系及其運(yùn)動(dòng)條件的函數(shù)，可以在實(shí)際進(jìn)行最小電流計(jì)算的時(shí)候具有比較顯著的應(yīng)用，從而可以計(jì)算出各項(xiàng)系數(shù)和整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行之間的實(shí)際關(guān)系，進(jìn)而可以優(yōu)化具體應(yīng)用的效果以及方法。在具體應(yīng)用的時(shí)候，拉格朗日函數(shù)的應(yīng)用表達(dá)式為：

當(dāng)整個(gè)電路系統(tǒng)處于EPS 模式時(shí)，可以得出電流應(yīng)力與功率之間的表達(dá)式更為復(fù)雜。通過對(duì)上述數(shù)字函數(shù)表達(dá)式的深入分析可以發(fā)現(xiàn)，在輸入輸出電壓匹配的前提下，如果K 值為1，則在任何工作狀態(tài)下，電流應(yīng)力都是相同的。當(dāng)D1為0時(shí)，EPS 系統(tǒng)控制與SPS 系統(tǒng)控制相同。當(dāng)K 值≥1 時(shí)，特別是當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)處于輕負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，預(yù)設(shè)的優(yōu)化方案對(duì)電流應(yīng)力的具體優(yōu)化效果顯著。在具體的計(jì)算過程中可以發(fā)現(xiàn)，具體的計(jì)算過程是通過對(duì)輸入輸出電路之間的電壓采樣來計(jì)算K值。將參考電壓U 和U 差值后，通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)得到p值。將p值的判斷代入上述計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，從而得到最優(yōu)的移位比較組合，進(jìn)而優(yōu)化具體應(yīng)用的效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

總體而言，在目前國(guó)內(nèi)對(duì)反激式雙輸出DC/DC變換器的實(shí)驗(yàn)研究中，采用改進(jìn)的箝位二極管的全橋DC/DC 變換器可以有效地實(shí)現(xiàn)一定寬度內(nèi)的軟開關(guān)，消除二次側(cè)調(diào)節(jié)電流對(duì)電壓振動(dòng)的影響，并采用同步整流技術(shù)改善變壓器的功率損耗，與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究相比，仿真試驗(yàn)的仿真結(jié)果總體負(fù)載高于額定負(fù)載，系統(tǒng)效率更好。能夠滿足反激式雙輸出的實(shí)際使用需求，能夠?yàn)檎麄€(gè)社會(huì)發(fā)展帶來更好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。