一種簡(jiǎn)單可靠的正激開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)

彭 洋

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽(yáng) 471000）

0 引 言

直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）轉(zhuǎn)換器能夠?qū)⒛骋惠斎氲闹绷麟娹D(zhuǎn)換成需要的直流電，為各種電子設(shè)備提供電能。由于電子設(shè)備對(duì)供電的要求日益提高，除了要求DC/DC 轉(zhuǎn)換器輸出的電壓要穩(wěn)定，還要求輸出功率大、體積小、效率高。為提高轉(zhuǎn)換效率，用金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）（以下簡(jiǎn)稱MOS）代替二極管，稱為同步整流。目前，有2 種主要的整流管驅(qū)動(dòng)方式，即外部驅(qū)動(dòng)和自驅(qū)動(dòng)。無(wú)論外部驅(qū)動(dòng)還是自驅(qū)動(dòng)，同步整流的MOS 管開(kāi)關(guān)時(shí)序調(diào)整都比較復(fù)雜[1-4]。文章采用ADP1074 芯片，能夠簡(jiǎn)化同步整流的設(shè)計(jì)，使復(fù)雜的時(shí)序調(diào)整環(huán)節(jié)和環(huán)路調(diào)試更加簡(jiǎn)便。

1 同步整流+有源鉗位的正激式轉(zhuǎn)換器工作原理

有源鉗位技術(shù)可以用于解決變壓器磁復(fù)位問(wèn)題，無(wú)須添加其他復(fù)位繞組，并且使得工作時(shí)的占空比可以大于0.5，適用于輸入電壓范圍較大的情況。同時(shí)，能夠?qū)?lì)磁電感和漏感中的能量反饋回輸入端，從而降低開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗，提高轉(zhuǎn)換效率。鉗位電容可以將主開(kāi)關(guān)MOS 管的電壓鉗位控制在一定范圍，保護(hù)MOS 管不被擊穿。同步整流+有源鉗位示意如圖1 所示。MOS 管又分為P 型金屬氧化物半導(dǎo)體（P Metal Oxide Semiconductor，PMOS）管和N 型金屬氧化物半導(dǎo)體（N Metal Oxide Semiconductor，NMOS）管，其中NMOS 管和PMOS 管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)有合適的死區(qū)時(shí)間，以防止二者同時(shí)導(dǎo)通[5,6]。

圖1 同步整流+有源鉗位示意

用MOS 管SR1和SR2替代二極管進(jìn)行整流。一是MOS 管采用自驅(qū)動(dòng)控制，當(dāng)輸出電壓較低時(shí)，電路簡(jiǎn)單可靠，但是當(dāng)輸出電壓較高時(shí)，需要增加電路限制驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅度，避免擊穿MOS 管。二是MOS 管采用外部驅(qū)動(dòng)，需要增加控制芯片，芯片輸入的時(shí)序信號(hào)來(lái)源又可以分為2 種：一種來(lái)自初級(jí)側(cè)的脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）信號(hào)，如LTC3900 芯片，使用變壓器繞組將初級(jí)信號(hào)耦合到次級(jí)，再由芯片輸出同步整流驅(qū)動(dòng)信號(hào)；另一種來(lái)自次級(jí)側(cè)變壓器繞組，如STSR2 芯片，采集變壓器繞組同名端信號(hào)作為輸入。三是同步整流的MOS 管在次級(jí)增加一個(gè)繞組，通過(guò)繞組取得的信號(hào)驅(qū)動(dòng)同步整流管。采取這3 種驅(qū)動(dòng)方式，不僅會(huì)增加元器件的數(shù)量，而且會(huì)降低系統(tǒng)的可靠性，使得調(diào)試更加困難。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 PWM 芯片ADP1074

ADP1074 是一款具有電流模式、固定頻率、集成有源鉗位以及同步整流功能的正激式控制器，專為隔離式DC-DC 電源設(shè)計(jì)。亞德諾半導(dǎo)體技術(shù)（上海）有限公司將其獨(dú)有的磁隔離器集成于ADP1074，以省去在初級(jí)側(cè)與次級(jí)側(cè)之間傳輸信號(hào)的變壓器和光電耦合器。集成后的隔離器能夠降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，減少器件數(shù)量，并增強(qiáng)轉(zhuǎn)換器的可靠性。ADP1074的初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)均集成了隔離器與MOS 驅(qū)動(dòng)器，可以使電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加緊湊，并在重負(fù)載工作時(shí)具有更高的效率。

ADP1074 控制器將5 kV 隔離器、初級(jí)控制電路以及次級(jí)控制電路集成于一個(gè)封裝。

集成的隔離器通過(guò)在隔離的2 端傳輸反饋信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)的通信。這些信號(hào)包括同步整流器PWM 的反饋信號(hào)、電壓采樣信號(hào)以及時(shí)序信號(hào)等。

ADP1074 擁有多種強(qiáng)大的功能，包括輸入電流保護(hù)、欠壓保護(hù)（Under Voltage Lock Out，UVLO）、帶可調(diào)遲滯的精密使能、過(guò)溫保護(hù)（Over Temperature Protection，OTP）、 輕載模式（Light Load Mode，LLM）和跟蹤等功能。其引腳功能如表1 所示。

表1 ADP1074 引腳定義

2.2 次級(jí)側(cè)VDD2 供電電路

次級(jí)側(cè)供電電壓范圍為-0.3 ～42 V，當(dāng)輸出電壓較大時(shí)，直接從變壓器繞組取電，電壓幅度容易超過(guò)額定值，導(dǎo)致芯片燒毀?？蛇x擇12 V 的穩(wěn)壓二極管匹配較大耗散功率的三極管，對(duì)VDD2進(jìn)行供電。

2.3 占空比的選擇

設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源時(shí)，應(yīng)選擇合適的占空比，當(dāng)分別輸入最小電壓值和最大電壓值時(shí)，開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力一致[6]。

輸出電壓Uo與輸入電壓Uin的關(guān)系為

式中：ton為每個(gè)周期導(dǎo)通時(shí)間；T為開(kāi)關(guān)周期；D為占空比；N為變壓器匝比。

當(dāng)輸入最小電壓和最大電壓時(shí)，輸出電壓應(yīng)保持不變，關(guān)系式為

式中：Uinmax為最大輸入電壓；Uinmin為最小輸入電壓；Dmin為最小占空比；Dmax為最大占空比：

欲使開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力相等，必須滿足如下條件

將Uinmin取17 V，Uinmax取36 V，并代入式（2）和式（3），可得Dmin=0.32，Dmax=0.68。

2.4 變壓器設(shè)計(jì)

文章設(shè)計(jì)的DC/DC 轉(zhuǎn)換器，單路功率為300 W，輸入電壓范圍在17 ～36 V，輸出電流為12 V/22 A，開(kāi)關(guān)頻率為300 kHz。此外，匝比計(jì)算公式為

式中：Uf為同步整流管導(dǎo)通壓降。

當(dāng)Uinmin取值17 V 時(shí)，由式（4）得到初次級(jí)的匝比N為0.96，取整數(shù)1。

考慮傳輸功率為300 W，可采用ED 型磁芯，磁芯面積乘積（Area Product，AP）值可使用AP 法計(jì)算，計(jì)算公式為

式中：Aw為磁芯的窗口面積；Ae為磁芯的截面積；Po為變壓器的輸出功率；η為轉(zhuǎn)換器所期望的效率；J為電流密度；K為窗口面積利用系數(shù)；f為變壓器的工作頻率；ΔB為磁通密度變化量。為增加一定的裕度，文章選擇ED32.5 型號(hào)的磁芯。

初級(jí)繞組匝數(shù)NP的計(jì)算公式為

NP取值為4 匝。

變壓器初次級(jí)匝比公式為

將N=1，NP=4 代入式（7），得出次級(jí)匝數(shù)Ns為4 匝。

2.5 主開(kāi)關(guān)管的選擇

MOS 管的選擇原則是MOS 管承受的最大電壓和最大電流不超過(guò)額定電壓與額定電流值。同時(shí)，需要考慮MOS 管的導(dǎo)通速度和導(dǎo)通電阻，導(dǎo)通速度要盡可能快，導(dǎo)通電阻要盡可能小。

轉(zhuǎn)換器正常工作時(shí)，流過(guò)主開(kāi)關(guān)管NMOS 的最大電流為

取Po=300 W，η=0.9，Uinmin=17 V，可得Imax約為19.6 A。

根據(jù)計(jì)算所得參數(shù)，可選用BSC093N15NS5 型號(hào)的主開(kāi)關(guān)管，其最大漏極電流IDmax為87 A，最大漏源電壓UDS為150 V，最大導(dǎo)通電阻RDS(on),max為9.3 mΩ。

2.6 鉗位開(kāi)關(guān)管的選擇

鉗位開(kāi)關(guān)管選則P 型MOS 管，其所能承受的最大電壓計(jì)算公式為

式中：UPMOS為鉗位PMOS 管電壓，計(jì)算得到UPMOS=54 V。

流過(guò)鉗位開(kāi)關(guān)管的電流通常很小，因此在選擇開(kāi)關(guān)管時(shí)，導(dǎo)通電阻并不是最重要的因素。相反，柵極電荷的大小才是最需要考慮的因素。鉗位開(kāi)關(guān)管選用IRF6217 型號(hào)的P 溝道MOS 管，其柵極電荷為9 nC，最大漏源電壓UDS為-150 V，最大導(dǎo)通電阻RDS(on),max為2.4 Ω，最大漏極電流IDmax為-0.7 A。

3 電路實(shí)物和測(cè)試結(jié)果

文章設(shè)計(jì)的基于ADP1074 控制器的正激式開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的外圍電路十分簡(jiǎn)單，只要滿足初次級(jí)供電的要求，就可以順利輸出主開(kāi)關(guān)管、鉗位開(kāi)關(guān)管、整流管以及續(xù)流管的驅(qū)動(dòng)波形。根據(jù)選用的開(kāi)關(guān)管參數(shù)，通過(guò)調(diào)整死區(qū)時(shí)間得到穩(wěn)定的輸出電壓。設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換器效率曲線如圖2 所示。

圖2 轉(zhuǎn)換器效率曲線

由圖2 數(shù)據(jù)可知，基于ADP1074 控制器的正激式開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器效率隨著電流的增加而升高并趨于穩(wěn)定，最后效率在90%左右，實(shí)際效率較高。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于PWM 控制器ADP1074，設(shè)計(jì)了一種新的轉(zhuǎn)換器，能夠在18 ～36 V 的輸入電壓下，產(chǎn)生12 V/260 W 的輸出，并且具有300 kHz 的開(kāi)關(guān)頻率。該轉(zhuǎn)換器的實(shí)際效率高達(dá)90%，使得電路變得更加簡(jiǎn)單和小巧，具有較為廣泛的應(yīng)用前景。