一種DC/DC并聯(lián)大功率電源設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

曹晨　張建飛

關(guān)鍵詞：氣象雷達(dá)；大功率電源；開(kāi)關(guān)電源；低壓輸入電源；并聯(lián)應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TN86 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

氣象雷達(dá)是專門(mén)用于大氣探測(cè)的雷達(dá)，常用于警戒、預(yù)報(bào)和小尺度天氣系統(tǒng)中[1]。目前，我國(guó)在氣象雷達(dá)的設(shè)計(jì)與研究上取得了較大進(jìn)步，應(yīng)用最新的計(jì)算機(jī)、通信和圖像處理技術(shù)，使得雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理和顯示分析系統(tǒng)功能愈加強(qiáng)大，并且可以完成雷達(dá)回波的顯示及雷達(dá)控制等多種功能[2]。

本文基于某項(xiàng)目氣象雷達(dá)的要求，設(shè)計(jì)了一款能夠?qū)崿F(xiàn)低壓輸入的大功率電源。由于信號(hào)頻率變高，可以減小變壓器內(nèi)的鐵心[3]，故該電源采用開(kāi)關(guān)電源技術(shù)，開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)是高效率和高功率密度輸出。由于一個(gè)DC/DC（直流轉(zhuǎn)直流）變換器的功率不能滿足要求，因此通過(guò)并聯(lián)DC/DC 變換器的方式實(shí)現(xiàn)大功率輸出。

1 VICOR DC/DC變換器

DC/DC 變換器是現(xiàn)代高頻開(kāi)關(guān)電源的基本組成部分[4]。美國(guó)VICOR 公司是國(guó)際知名的電源變換器（也稱“電源模塊”）生產(chǎn)廠家，是目前世界最大的高密度電源模塊生產(chǎn)商之一。主要有3 代模塊產(chǎn)品在市場(chǎng)上銷售：一代模塊產(chǎn)品最大功率為200 W；二代模塊產(chǎn)品最大功率為700 W；三代產(chǎn)品為晶片產(chǎn)品，功率密度極高。本項(xiàng)目采用VICOR 二代模塊并聯(lián)的方式，可以滿足小體積、大功率的要求。

模塊選擇半磚24 V 輸入系列，該系列具有以下特點(diǎn)[5]：①直流電輸入范圍為18 ～ 36 V；②輸出隔離；③啟動(dòng)電壓為16 V；④輸入浪涌可承受沖擊為50 V、100 ms；⑤輸出電壓為3.3 ～ 48 V 直流電；⑥輸出電壓可調(diào)范圍為10% ～ 110%；⑦負(fù)載調(diào)整率為±0.5%（空載到滿載）；⑧最大效率可達(dá)89%；⑨最大工作溫度為100℃（滿載）；⑩支持N+M 并聯(lián)；使用ZCS/ZVS（零電流開(kāi)關(guān)/ 零電壓開(kāi)關(guān)）技術(shù)。

2 電源設(shè)計(jì)原理

根據(jù)VICOR 模塊以及本項(xiàng)目需求，最終電源設(shè)計(jì)原理如圖2 所示。圖中，AW1、AW2、AW3為3 個(gè)VICOR 模塊；+In 和-In 分別為模塊輸入正負(fù)引腳；+Out 和-Out 分別為模塊輸出正負(fù)引腳；PC（primary control）為控制引腳（控制模塊導(dǎo)通關(guān)斷）；PR（parallel）為并聯(lián)引腳（模塊需并聯(lián)時(shí)應(yīng)用）；+S 和-S（Sense）為補(bǔ)償引腳（補(bǔ)償輸出，分別與+Out、-Out 相連）；SC（secondary control）為調(diào)壓引腳（調(diào)節(jié)輸出電壓值）；CAP（capacitor）為電容；DIODE 為二極管。

該電源采用3 塊模塊并聯(lián)的方式，由單獨(dú)模塊200 W 的輸出功率實(shí)現(xiàn)電源600 W 的輸出功率，以滿足項(xiàng)目550 W 輸出功率的要求。

并聯(lián)引腳需要接電容和電阻，電容C2、C12、C22 的容值均為0.001 μF，電阻阻值需要根據(jù)并聯(lián)模塊數(shù)量來(lái)定，如表1 所示。

由于本次為3 塊模塊并聯(lián)應(yīng)用，故電阻R1、R8、R9 的阻值均為50 Ω。

輸出并聯(lián)后需要調(diào)壓，選一個(gè)模塊接調(diào)壓電阻即可。本項(xiàng)目采用電位器調(diào)節(jié)電壓，輸出可變；也可將電位器換成固定電阻，適合固定輸出且批量生產(chǎn)的情況。

3 PCB設(shè)計(jì)原理

由于體積有限，電源外形尺寸為315 mm×75 mm×33.5 mm，適合安裝在狹長(zhǎng)的空間中。電源模塊并聯(lián)應(yīng)用時(shí)，最佳PCB（印制電路板）布局是各個(gè)模塊的輸入輸出走線等長(zhǎng)，如圖3 所示。但本項(xiàng)目由于電源外形結(jié)構(gòu)條件限制，電源PCB 布局如圖4 所示，3 塊DC/DC 模塊順次相接，模塊輸入電流逐級(jí)遞減，模塊輸出電流逐級(jí)增加。由于電源功率較大，輸入電流最大約為38 A，輸出電流最大約為75 A，且越靠近輸出端電流越大，此布局需要增加印制線的面積，同時(shí)擴(kuò)流。

4 結(jié)果與討論

由于該項(xiàng)目電源結(jié)構(gòu)尺寸以及安裝方式已經(jīng)確定，最終電源成品如圖5 所示。左側(cè)的接線端為電源輸出的接線端，右側(cè)的接線端為電源輸入線和控制信號(hào)的接線端。由于輸出電流較大，采用4 個(gè)端子并聯(lián)為輸出電流正，另外4 個(gè)端子并聯(lián)為輸出電流負(fù)。電源上下兩排共8 個(gè)孔，為電源的安裝孔。

將成品電源放于測(cè)試工裝上，電源輸入端接直流穩(wěn)壓儀表電源，輸出端接滑線變阻器，開(kāi)機(jī)預(yù)熱1 min 后在常溫下進(jìn)行性能指標(biāo)測(cè)試。指標(biāo)測(cè)量結(jié)果如表2 所示。

由此可以看出，實(shí)測(cè)指標(biāo)均可以滿足要求。電源內(nèi)部模塊并聯(lián)雖然不是最佳擺放位置，但是通過(guò)優(yōu)化PCB 設(shè)計(jì)，依然可以保證性能指標(biāo)，電源設(shè)計(jì)合理可行。

5 結(jié)論

本項(xiàng)目電源由于功率大且體積尺寸受到限制，使得電源原理設(shè)計(jì)與PCB 布局存在一定的難度，通過(guò)PCB 合理走線，使得并聯(lián)應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)。最終本電源在輸入范圍為直流18 ～ 36 V 的情況下，可以提供輸出電壓8 V、輸出電流最大75 A，且受到TTL 電平控制，控制邏輯：當(dāng)控制信號(hào)為T(mén)TL高電平時(shí)，電源有輸出；當(dāng)控制信號(hào)為T(mén)TL 低電平時(shí)，電源無(wú)輸出。電源在常溫下的測(cè)試指標(biāo)完全滿足該項(xiàng)目氣象雷達(dá)T/R 電源的需要，同時(shí)也對(duì)電源工作溫度在-40 ～ 80℃ 進(jìn)行設(shè)計(jì)保證。電源已通過(guò)整機(jī)測(cè)試驗(yàn)證，滿足批量生產(chǎn)的條件。