新拓?fù)涑蛪捍箅娏鏖_關(guān)電源的研究與實(shí)現(xiàn)*

余世科 ，葉明剛 ，謝鶴齡 ，金建輝

(1.中國(guó)船舶集團(tuán)第七〇五研究所，云南 昆明 650032；2.昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500)

0 引言

為應(yīng)對(duì)不斷增長(zhǎng)且復(fù)雜程度越來(lái)越高的實(shí)時(shí)計(jì)算和通信需求，許多電路系統(tǒng)選用大量高功率、高頻率可編程邏輯處理器(FPGA)、中央處理器(CPU)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、存儲(chǔ)器等相關(guān)集成電路(IC)[1-3]構(gòu)成的計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、信息化工作站、便攜式設(shè)備等[4]構(gòu)成的信息化系統(tǒng)，系統(tǒng)功耗不斷增加，能耗巨大，限制了這類大型系統(tǒng)的發(fā)展。要想降低整個(gè)系統(tǒng)能耗，方法是將集成電路芯片的工作電壓設(shè)計(jì)得很低，所以現(xiàn)在集成電路芯片的工作電壓越來(lái)越低。除此之外在許多特種行業(yè)，比如電磁泵的驅(qū)動(dòng)電源，金屬冶金、化學(xué)電解中的電解電源，弧焊或切割的電源等迫切需要低壓大電流電源，提高工作性能，降低生產(chǎn)能耗。為適應(yīng)這些負(fù)載的需求，低壓大電流開關(guān)電源得到了發(fā)展。國(guó)外在低壓大電流電源領(lǐng)域發(fā)展較快，早期的低壓大電流開關(guān)電源研究試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)為直流12 V 輸入，輸出1.2 V/50 A[5-6]，近幾年實(shí)現(xiàn)了直流12 V 輸入，輸出1.8 V/120 A[7]；國(guó)內(nèi)自主研發(fā)啟動(dòng)較晚，相關(guān)研究資料較為領(lǐng)先的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為直流36 V 輸入，輸出1 V/30 A[8]?，F(xiàn)有低壓大電流開關(guān)電源產(chǎn)品中，國(guó)外Cosel 公司的SFS30481R2 模塊和ROAL Electronics 公司的DC-DC 模塊RDS50-48S1V2 在輸入電壓36 V 的情況下實(shí)現(xiàn)輸出電壓低至1.2 V，輸出電流分別為3.5 A 和25 A。國(guó)內(nèi)弗來(lái)翔電子DC-DC 模塊HMW75-12S05 在輸入電壓12 V 時(shí)，輸出5 V 電壓15 A 電流；海凌科電子的AC-DC 模塊HLK-5M03 和HLK-10M03 在輸入電壓110 V 時(shí)，輸出3.3 V/1.5 A 和輸入電壓36 V輸出3.3 V/3 A。可以看出低壓大電流電源領(lǐng)域國(guó)內(nèi)與國(guó)外相比存在較大的差距，有必要設(shè)計(jì)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能低壓大電流電源[9]，進(jìn)一步降低電源輸出電壓，提高電源輸出電流。本文對(duì)新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)低壓大電流電源進(jìn)行了仿真分析和實(shí)物測(cè)試，設(shè)計(jì)的低壓大電流電源電路實(shí)現(xiàn)了1 V/35 A，0.7 V/20 A 的指標(biāo)，在實(shí)現(xiàn)更低電壓和更大電流指標(biāo)上有顯著改善提高，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是效率指標(biāo)不高，還有待提升。

1 新拓?fù)涞蛪捍箅娏麟娫措娐返姆抡娣治?/h2>

1.1 新拓?fù)渲麟娐方Y(jié)構(gòu)介紹

新型拓?fù)湟詡鹘y(tǒng)Buck 為基礎(chǔ)改進(jìn)所得，主要由離散恒能量斬波橋和續(xù)流濾波電路組成，如圖1 所示。其中S1、S2、S3、S4 和C1組成的離散恒能量斬波橋，其中電感L 為續(xù)流儲(chǔ)能電感，電容C2為輸出濾波電容，R 為負(fù)載，續(xù)流二極管D[10]，該拓?fù)涫鞘状瓮卣箲?yīng)用于低壓大電流開關(guān)電源電路。

圖1 新型拓?fù)渲麟娐吩韴D

通過(guò)分析新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路有如下特性：新型拓?fù)渲麟娐份敵龉β嗜缡?1)所示[10]：

新型拓?fù)渲麟娐份敵鲭妷喝缡?2)所示：

由式(1)和式(2)可知新拓?fù)淇梢酝ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)頻率(即PFM 方式)和改變離散恒能量斬波橋電容的充電電壓(即PWM 方式)來(lái)改變輸出電壓的大小，實(shí)現(xiàn)低壓大電流輸出。

1.2 新拓?fù)涞蛪捍箅娏麟娫措娐返姆抡娣治?/h3>

系統(tǒng)級(jí)電力電子仿真軟件PLECS 在電力電子仿真領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位，PLECS 的軟件特性有：熱設(shè)計(jì)、理想開關(guān)、魯棒性以及瞬態(tài)性，是一款涵蓋廣泛的多功能EDA 軟件，在電力電子領(lǐng)域得到普遍使用。以下將對(duì)PWM 調(diào)制和PFM 調(diào)制[11]進(jìn)行EDA 仿真分析。

1.2.1 新拓?fù)涞蛪捍箅娏麟娫措娐稰FM 仿真分析

對(duì)新型拓?fù)渲麟娐愤M(jìn)行PFM 調(diào)制仿真，能量橋上的開關(guān)管S1、S2、S3、S4 基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)定為：正向電壓2.0 V，導(dǎo)通電阻0.005 Ω，導(dǎo)通時(shí)間640 ns，關(guān)斷時(shí)間180 ns；儲(chǔ)能電容C1取值1 μF；濾波電感1 μH；濾波電容6 000 μF；負(fù)載阻值0.025 Ω。PFM 調(diào)制仿真器件參數(shù)如表1 所示。

表1 新拓?fù)涞蛪捍箅娏麟娫措娐稰FM 原理圖參數(shù)

當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為峰值12 V，100 kHz，45%占空比的方波時(shí)，驅(qū)動(dòng)波形如圖2(a)所示，輸出電壓約0.98 V 波形如圖2(b)所示，輸出電流39 A。仿真數(shù)值如表2 所示。

圖2 新拓?fù)涞蛪捍箅娏麟娫措娐稰FM 仿真波形

表2 新拓?fù)涞蛪捍箅娏麟娫措娐稰FM 仿真數(shù)值

1.2.2 新拓?fù)涞蛪捍箅娏麟娫措娐稰WM 仿真分析

對(duì)新型拓?fù)渲麟娐愤M(jìn)行PWM 調(diào)制仿真，能量橋上的開關(guān)管S1、S2、S3、S4 基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)定為：正向電壓2.0 V，導(dǎo)通電阻0.005 Ω，導(dǎo)通時(shí)間640 ns，關(guān)斷時(shí)間180 ns；儲(chǔ)能電容C1取值50 μF；濾波電感1 μH；濾波電容6 000 μF；負(fù)載阻值0.025 Ω。PWM 調(diào)制仿真原理圖器件參數(shù)如表3所示。

表3 新拓?fù)涞蛪捍箅娏麟娫措娐稰WM 原理圖參數(shù)

當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為峰值12 V，50 kHz，10%占空比方波時(shí)，驅(qū)動(dòng)波形如圖3(a)所示，輸出電壓約1.19 V 波形如圖3(b)所示，輸出電流45 A。仿真數(shù)值如表4 所示。

表4 新拓?fù)涞蛪捍箅娏麟娫措娐稰WM 仿真數(shù)值

圖3 新拓?fù)涞蛪捍箅娏麟娫措娐稰WM 仿真波形

綜上所述，通過(guò)EDA 仿真分析，驗(yàn)證了新型拓?fù)涞蛪捍箅娏麟娫措娐房尚行?，確立了控制低壓大電流開關(guān)電源的關(guān)鍵參數(shù)為驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率或者驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比，為后續(xù)實(shí)物測(cè)試提供了一定的理論依據(jù)。

2 新拓?fù)涞蛪捍箅娏麟娐返膶?shí)現(xiàn)

2.1 新拓?fù)涞蛪捍箅娏麟娐窐訖C(jī)設(shè)計(jì)

由于實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)PWM 控制較容易，因此樣機(jī)設(shè)計(jì)為PWM 控制方式。樣機(jī)電路原理圖如圖4 所示。驅(qū)動(dòng)控制芯片采用SG3525A 實(shí)現(xiàn)PWM 調(diào)制控制，輸出PWM 脈沖通過(guò)變壓器驅(qū)動(dòng)離散恒能量斬波橋四個(gè)功率管；離散恒能量斬波橋電容采用多個(gè)電容并聯(lián)，增大容量降低分布參數(shù)影響；加強(qiáng)了續(xù)流和輸出濾波。設(shè)計(jì)參數(shù)為控制頻率設(shè)定為100 kHz 時(shí)，結(jié)合SG3525A 使用手冊(cè)預(yù)設(shè)R7取20 kΩ，R6 取100 Ω，C9 取680 pF。軟啟動(dòng)端(引腳8)接入電容C10，容值1 μF。截止端(引腳10)對(duì)地電阻R8取值1 kΩ。參考電壓調(diào)節(jié)部分電位器RW1 取值5 kΩ，濾波電容C8 容值0.1 μF。補(bǔ)償端與誤差放大器輸入端之間串聯(lián)電阻R5 與電容C7 構(gòu)成PI 調(diào)節(jié)，預(yù)設(shè)R5 阻值10 kΩ，電容C7 容值1 nF。電容C12、C14、C15 為退耦合電容，容值分別為0.1 μF、0.1 μF、10 μF。電容C11、C13為隔直電容，容值均為1 μF。輸入電壓12 V，能量橋電容容值10 μF；負(fù)載電阻最小取值0.025 Ω；能量橋MOS 管型號(hào)IRFP3206PbF；續(xù)流二極管型號(hào)MBR6040；續(xù)流電感L1 電感值10 μH；濾波電感L2 電感值2.2 μH；濾波電容預(yù)計(jì)取值1 000 μF 并聯(lián)連接。

圖4 新拓?fù)涞蛪捍箅娏麟娫措娐窐訖C(jī)原理圖

新型拓?fù)涑蛪捍箅娏鏖_關(guān)電源樣機(jī)PCB 采用兩層板結(jié)構(gòu)，包含多點(diǎn)接地和功能分區(qū)設(shè)計(jì)要素[12-13]，尺寸僅200 mm×100 mm，如圖5 所示。

圖5 新拓?fù)涞蛪捍箅娏麟娫措娐窐訖C(jī)PCB 設(shè)計(jì)圖

新型拓?fù)涑蛪捍箅娏鏖_關(guān)電源樣機(jī)實(shí)物如圖6所示。

圖6 新拓?fù)涞蛪捍箅娏麟娫措娐窐訖C(jī)實(shí)物圖

樣機(jī)測(cè)試中使用兩臺(tái)直流電源分別為主電路和控制電路供電，電源電壓均為12 V。采用的負(fù)載為50 W功率，阻值0.1 Ω 的鋁殼電阻，根據(jù)測(cè)試需要進(jìn)行串并聯(lián)。測(cè)量?jī)x器是優(yōu)利德公司型號(hào)UTD7102B 的100 MHz帶寬示波器；臺(tái)灣寶工公司型號(hào)MT-1280 數(shù)字萬(wàn)用表；優(yōu)利德公司型號(hào)UT210E 鉗形數(shù)字電流表。

2.2 新拓?fù)涞蛪捍箅娏麟娐窐訖C(jī)的實(shí)測(cè)分析

2.2.1 輸入12 V 輸出1 V35 A 樣機(jī)的實(shí)測(cè)分析

主電路輸入電壓12 V，負(fù)載0.025 Ω 時(shí)控制電路驅(qū)動(dòng)波形如圖7(a)所示；輸出電壓波形如圖7(b)所示。由實(shí)測(cè)波形可看出，在能量橋交替導(dǎo)通的時(shí)候驅(qū)動(dòng)波形的幅值達(dá)到12 V 和頻率滿足100 kHz，符合驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)要求，但是顯然可看出在輸出功率要求提高的情況下，能量橋開通損耗和關(guān)斷損耗更加嚴(yán)重，輸出電壓波形紋波干擾也有所加大。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表5 所示，此時(shí)輸出電壓為0.99 V，輸出電流35.01 A，實(shí)現(xiàn)超低電壓的同時(shí)，在低壓大電流指標(biāo)上取得了進(jìn)展。

圖7 輸入12 V 輸出1 V/35 A 樣機(jī)波形

表5 輸入12 V 輸出1 V/35 A 樣機(jī)的實(shí)測(cè)數(shù)值

2.2.2 輸入12 V 輸出0.7 V/35 A 樣機(jī)的實(shí)測(cè)分析

以上述試驗(yàn)平臺(tái)為基礎(chǔ)，對(duì)新型拓?fù)涞蛪捍箅娏鏖_關(guān)電源進(jìn)行更低電壓的探索。輸入電壓仍然保持12 V，負(fù)載0.03 Ω，調(diào)節(jié)控制電路中RW1 阻值，改變輸入同相輸入端的電壓參考值，使得輸出電壓下降，得拓展試驗(yàn)波形如圖8 所示。

圖8 輸入12 V 輸出0.7 V/20 A 樣機(jī)波形

電路輸入電壓12 V，負(fù)載0.03 Ω，調(diào)節(jié)電位器RW1后，由驅(qū)動(dòng)波形可看出，此時(shí)驅(qū)動(dòng)頻率和幅值仍然滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，占空比由于壓降的增大而減少，與原理相一致，但是開關(guān)損耗增大。由輸出電壓波形可看出，輸出電壓降低至約0.7 V，但是由于開關(guān)損耗的增大，輸出電壓高頻干擾即紋波更加明顯，從而也影響電源效率。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表6 所示，此時(shí)輸出電壓為0.69 V，輸出電流20.4 A，電源效率31.32%，實(shí)現(xiàn)了向更低電壓輸出指標(biāo)。

表6 輸入12 V 輸出0.7 V/20 A 樣機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

實(shí)測(cè)總結(jié)，通過(guò)實(shí)物制作以及試驗(yàn)平臺(tái)的搭建，對(duì)新型拓?fù)涞蛪捍箅娏鏖_關(guān)電源進(jìn)行了樣機(jī)測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證了新型拓?fù)涞目尚行院蛯?shí)用性，樣機(jī)滿足主要設(shè)計(jì)指標(biāo)，部分指標(biāo)有所提高。

3 結(jié)論

集成電路系統(tǒng)要求系統(tǒng)功耗越低越好，超低壓供電的低功耗集成電路芯片大量出現(xiàn)，低壓大電流開關(guān)電源必將得到大力發(fā)展，開發(fā)自主可控的高性能低壓大電流開關(guān)電源很有必要。新型拓?fù)涞蛪捍箅娏鏖_關(guān)電源在電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，較易控制，而且PFM 和PWM 兩種控制方式都能實(shí)現(xiàn)低壓大電流輸出，相比現(xiàn)有拓?fù)涞蛪捍箅娏鏖_關(guān)電源，低壓大電流主要指標(biāo)較高，但是該電源的效率和紋波指標(biāo)還需繼續(xù)改進(jìn)提高。