多路精確穩(wěn)壓輸出的數(shù)字DC-DC變換器設(shè)計(jì)

侯 偉，鄢婉娟，彭 健

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

目前航天器上使用的DC-DC 變換器均為傳統(tǒng)模擬電路設(shè)計(jì)，且很大一部分依賴進(jìn)口。與模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制的DC-DC 變換器相比，數(shù)字電路具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)可實(shí)現(xiàn)多路獨(dú)立閉環(huán)控制、精確穩(wěn)壓輸出，具有快速響應(yīng)能力及調(diào)節(jié)能力；2)可實(shí)現(xiàn)硬件拓?fù)涞耐ㄓ没O(shè)計(jì)，通過(guò)參數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)針對(duì)不同對(duì)象的應(yīng)用；3)抗干擾能力強(qiáng)，避免了模擬信號(hào)的畸變失真；4)控制參數(shù)設(shè)計(jì)精確，一致性好，性能穩(wěn)定；5)具備高度的柔性、智能化和可操控性，可通過(guò)遠(yuǎn)程診斷實(shí)現(xiàn)故障管理。本文以常用的XX28512 (28 V 輸入，+5 V、±12 V 三路輸出)型DC-DC 為例，設(shè)計(jì)一款三路(+5 V/3.6 A、+12 V/0.5 A、－12 V/0.5 A)獨(dú)立閉環(huán)控制、精確穩(wěn)壓輸出且電壓可通過(guò)軟件設(shè)置的數(shù)字DC-DC 變換器。

1 方案設(shè)計(jì)

數(shù)字化DC-DC 變換器的設(shè)計(jì)分硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。

依據(jù)多路輸出、每路精確穩(wěn)壓的要求，數(shù)字化DC-DC 變換器的設(shè)計(jì)必須建立三個(gè)獨(dú)立的閉環(huán)進(jìn)行穩(wěn)壓。為了提高輸出電壓的調(diào)節(jié)速度和避免原、副邊通信帶來(lái)的軟、硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，數(shù)字化DC-DC 變換器的總體框架采用主控制器在變壓器副邊、輔助控制器在原邊的設(shè)計(jì)方案，三路輸出電壓全部在副邊構(gòu)成閉環(huán)，由主控制器直接進(jìn)行調(diào)節(jié)，而不用將電壓信息隔離反饋到原邊。DC-DC 變換器的主拓?fù)湓砜驁D如圖1 所示。

圖1 主拓?fù)湓砜驁D

數(shù)字化DC-DC 變換器的主拓?fù)洳捎猛仆熳儞Q器結(jié)構(gòu)，提高了輸入電壓和變壓器的利用率，而且副邊繞組的整流電路無(wú)需濾波電感，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。副邊三路共用一路母線，＋5和＋12 V 輸出采用同步Buck 變換器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，－12 V 采用同步Buck/Boost 變換器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。采用同步整流的設(shè)計(jì)方式不僅可以減小續(xù)流二極管的導(dǎo)通損耗，提高轉(zhuǎn)換效率，而且實(shí)現(xiàn)了負(fù)載和母線的能量雙向流動(dòng)，負(fù)載變化時(shí)每路后級(jí)調(diào)節(jié)的占空比變化較小，減小了對(duì)副邊母線電壓的影響和負(fù)載不平衡時(shí)各路之間的交叉調(diào)節(jié)[1]。

數(shù)字化DC-DC 變換器的原、副邊各有一個(gè)控制器，兩個(gè)控制器互相隔離。主控制器在副邊，完成副邊三路的穩(wěn)壓調(diào)節(jié)、輸出電壓過(guò)壓保護(hù)、輸出電流過(guò)流保護(hù)、各路輸出軟啟動(dòng)、電壓時(shí)序控制、使能、同步和通信功能。輔助控制器在原邊，完成原邊互補(bǔ)推挽開關(guān)管的控制、輸入電壓欠壓保護(hù)、輸入電流過(guò)流保護(hù)和原邊軟啟動(dòng)功能。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主拓?fù)湓O(shè)計(jì)

數(shù)字化DC-DC 變換器的主拓?fù)洳捎猛仆熳儞Q器結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。輸入電壓的設(shè)計(jì)范圍是23～33 V，經(jīng)一級(jí)LC 濾波后輸入到主變壓器。原邊控制器在軟啟動(dòng)之后，使兩個(gè)開關(guān)管分別以0.45 的固定占空比互補(bǔ)導(dǎo)通(死區(qū)時(shí)間為100 ns)，將能量傳遞到副邊繞組中，并經(jīng)過(guò)全波整流、濾波后得到比較穩(wěn)定的副邊母線電壓。為了避免與副邊三路Buck 的開關(guān)頻率(312 kHz)之間產(chǎn)生拍頻干擾，原邊的開關(guān)頻率稍高于副邊的開關(guān)頻率，定為320 kHz。

圖2 主拓?fù)湓韴D

為了減小開關(guān)動(dòng)作時(shí)的導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗，主開關(guān)管和副邊母線的整流二極管都加有相應(yīng)的吸收電路，防止開關(guān)溫升過(guò)高損耗器件。原、副邊的“地”之間接有一高壓吸收電容，減小地之間的高頻干擾。根據(jù)工作頻率以及輸出功率，主變壓器的磁芯選用TDK 公司PC40 材質(zhì)的磁罐，尺寸選擇P18/11，原、副邊每個(gè)繞組的匝數(shù)分別為8 匝和6 匝。

2.2 同步Buck(Buck/Boost)變換器設(shè)計(jì)

副邊+5 和＋12 V 輸出采用同步Buck 的變換器結(jié)構(gòu)，而－12 V 由于輸入、輸出電壓極性相反，采用同步Buck/Boost變換器結(jié)構(gòu)，每路獨(dú)立穩(wěn)壓調(diào)節(jié)。＋5、＋12 和－12 V 的電路原理分別如圖3、圖4 和圖5 所示。每路輸出都采用電壓閉環(huán)穩(wěn)壓調(diào)節(jié)，每路輸出電流采用電阻取樣，因?yàn)槿份敵龉驳?，所以取樣電阻放在輸出高端，防止地線中產(chǎn)生干擾，避免各路之間相互影響。正電壓輸出＋5 和＋12 V 的有遙測(cè)端子，遙測(cè)電壓為＋4 V，遙測(cè)分壓電阻的值要盡量大，以減小對(duì)輸出電壓和效率的影響，但是必須滿足遙測(cè)阻抗的要求。

圖3 +5 V輸出同步Buck原理圖

圖4 +12 V輸出同步Buck原理圖

圖5 -12 V輸出同步Buck/Boost原理圖

同步Buck/Boost 變換器就是將傳統(tǒng)Buck/Boost 變換器中的續(xù)流二極管換成MOSFET，因此，與其他兩路不同的是，－12 V 的兩個(gè)MOSFET 都需要高邊驅(qū)動(dòng)[2]。由于進(jìn)行電壓取樣信號(hào)放大的運(yùn)放為正電壓?jiǎn)坞娫垂╇?，?2 V 的電壓檢測(cè)與其他兩路不同，不是分壓后進(jìn)行取樣，而是采用倍數(shù)為1/12的反相放大器實(shí)現(xiàn)負(fù)電壓取樣。

3 軟件設(shè)計(jì)

原邊控制器和副邊控制器的總體功能設(shè)計(jì)框圖如圖6 和圖7 所示[3]。

圖6 原邊控制器功能設(shè)計(jì)框圖

圖7 副邊控制器功能設(shè)計(jì)框圖

數(shù)字DC-DC 變換器工作流程如圖8 所示。在發(fā)生過(guò)壓、過(guò)流等異常情況時(shí)，控制器首先關(guān)閉控制信號(hào)，并且在檢測(cè)異常消失延時(shí)一段時(shí)間后重新軟啟動(dòng)，且恢復(fù)時(shí)間可程序設(shè)定。數(shù)字化控制器的通信協(xié)議中采用16 位的CRC 校驗(yàn)，保證上位機(jī)的數(shù)據(jù)可靠寫入數(shù)字化電源模塊中?？紤]到特定的應(yīng)用環(huán)境，設(shè)計(jì)中采用了三模塊冗余(TMR)技術(shù)，每個(gè)參數(shù)在E2PROM 存儲(chǔ)器中有三個(gè)備份，以抵抗單粒子翻轉(zhuǎn)對(duì)E2PROM 造成的影響[4-5]。

圖8 數(shù)字DC-DC變換器工作流程

4 測(cè)試結(jié)果

數(shù)字DC-DC 變換器實(shí)現(xiàn)了三路獨(dú)立精確穩(wěn)壓且輸出電壓在額定值±20%范圍內(nèi)可設(shè)置，同時(shí)上電時(shí)序、輸出過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)值、PID 參數(shù)等可設(shè)置。頻率同步可通過(guò)外接時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)。圖9 給出了參數(shù)配置軟件的界面，可以對(duì)+5、+12、-12 V 三路的輸出電壓基準(zhǔn)、過(guò)壓保護(hù)值、過(guò)流保護(hù)值、上電延遲時(shí)間、PID 參數(shù)等進(jìn)行獨(dú)立設(shè)置。

圖9 數(shù)字DC-DC變換器參數(shù)配置軟件

圖10 和圖11 給出了上電延遲時(shí)間設(shè)置后的啟動(dòng)時(shí)序，圖10 中+5、+12、－12 V 啟動(dòng)時(shí)序分別為0、5、10 ms，圖11 中+5、+12、－12 V 啟動(dòng)時(shí)序分別為0、5、15 ms，三路上電延遲時(shí)間在0～100 ms 范圍內(nèi)可設(shè)置，驗(yàn)證了數(shù)字DC-DC 變換器上電時(shí)序設(shè)置功能。外接時(shí)鐘270 kHz 時(shí)，數(shù)字DC-DC 變換器的開關(guān)頻率如圖12 所示，外接時(shí)鐘320 kHz 時(shí)，數(shù)字DC-DC變換器的開關(guān)頻率如圖13 所示，驗(yàn)證了外部時(shí)鐘頻率同步功能。

圖12 初始的外部時(shí)鐘與PWM波形(藍(lán)線：外部時(shí)鐘信號(hào)；紅線：控制器的PWM信號(hào)，同步頻率270 kHz)

圖13 調(diào)整參數(shù)后的外部時(shí)鐘與PWM波形(藍(lán)線：外部時(shí)鐘信號(hào)；紅線：控制器的PWM信號(hào)，同步頻率320 kHz)

5 結(jié)論

本文完成了一款三路輸出，各路獨(dú)立穩(wěn)壓、輸出精確可調(diào)的數(shù)字化DC-DC 變換器的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，取得了以下主要成果：通過(guò)對(duì)多路穩(wěn)壓輸出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較與分析，設(shè)計(jì)了以推挽變換器為主體、副邊三路后級(jí)閉環(huán)穩(wěn)壓控制的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在FPGA 平臺(tái)上采用狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)完成控制算法的運(yùn)算時(shí)序與控制邏輯，實(shí)現(xiàn)高精度DPWM 模塊，完成了多路信號(hào)高速采樣，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化DC-DC 控制器的核心功能；通過(guò)狀態(tài)機(jī)控制總線的時(shí)序邏輯，實(shí)現(xiàn)I2C 總線和UART 接口通信的設(shè)計(jì)，提供了數(shù)字化電源參數(shù)的存儲(chǔ)方式，并且可遠(yuǎn)程修改電源的運(yùn)行狀態(tài)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中，采用三個(gè)備份的方式對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作，保證參數(shù)的準(zhǔn)確性和電源的安全性，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化控制器的智能化與容錯(cuò)機(jī)制設(shè)計(jì)。