通信用正激式DC/DC模塊電源設(shè)計(jì)
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時(shí)間：2009-07-29
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通信用DC/DC模塊電源功率級(jí)一般從幾瓦至幾十瓦，輸出電壓從幾伏至上百伏，對(duì)于幾十瓦的電源，一般以低壓大電流為主，有5V/10A、 5V/6A、3.3V/8A等規(guī)格，效率一般在80％左右（具體視輸出電壓大小）。因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/模塊">模塊電源要求MTBF（平均無(wú)故障時(shí)間）1000000小時(shí)以上，所以要盡量避免使用電解電容，最好使用陶瓷電容。陶瓷電容容量不大，具有非常好的高頻特性。此外，DC/DC模塊電源的厚度要求小于12.7mm，所以對(duì)變壓器的要求高，磁芯必須具有扁平的形狀和在高頻情況下具有較小的損耗因子。
通常選用的芯材有TDK的PC40/44、PC50，菲利浦的3F3、3F4，國(guó)產(chǎn)的如金寧R2KD、R2KBD、R2KB1等。形狀以罐型為主，因?yàn)楣扌痛判揪哂休^好的屏蔽，EMI中的棘手問(wèn)題――輻射也就好解決得多了。同時(shí)不能使局部溫度太高，必須均衡放置發(fā)熱元件，另外還要求較低的紋波和較高的效率等，所有這些挑戰(zhàn)使得采用正激式必較合適。
2 正激式電路工作原理
2．1 一般正激式
圖1所示為單端正激式電路，它猶如帶變壓器的Buck型變換器。輸出電壓UO由N2/N1、占空比D和輸入電壓確定，即UO=（N2/N1）?D?Ui。
當(dāng)PWM控制器輸出正脈沖，功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，變壓器的初級(jí)繞組流過(guò)電流，此電流由兩部分組成：第一部分為磁化電流，即流經(jīng)等效開(kāi)環(huán)電感上的電流；第二部份是與輸出電流等效的初級(jí)電流，它和初次級(jí)匝比成反比，和輸出電流成正比。儲(chǔ)存在電感上的能量必須在功率開(kāi)關(guān)關(guān)斷后下一次開(kāi)啟前泄放掉，以便使磁通復(fù)位。 N3即為去磁繞組，一般N3=N1。如果設(shè)計(jì)一個(gè)36V至72V直流輸入、5V/6A輸出的模塊電源，當(dāng)去磁繞組與初級(jí)繞組的匝比為1時(shí)，Udsr= 72V＋72V=144V。選用反峰Uds為200V的IRF630場(chǎng)效應(yīng)管，僅有50V的裕量用于承受異常時(shí)和疊加在此電壓上的尖峰脈沖。場(chǎng)效應(yīng)管的 Rds(on)與允許的Udsr成反比，如IRF630的Rds(on)是0.4Ω,而耐壓為100V的同系列產(chǎn)品IRF530N為0.11Ω。很顯然，對(duì)寬范圍輸入的電源設(shè)計(jì)選用高耐壓的場(chǎng)效應(yīng)管（最高輸入直流電壓Uimax×2使用）僅僅是為了對(duì)付高端輸入有點(diǎn)不太經(jīng)濟(jì)。現(xiàn)介紹一種能克服此缺點(diǎn)的改進(jìn)型電路。2．2 改進(jìn)型正激式
當(dāng)變壓器的參數(shù)和外在工作頻率滿(mǎn)足下列條件：
?。?）開(kāi)關(guān)頻率足夠高；
?。?）磁化電流足夠?。?br /> ?。?）漏感足夠小。便不再需要去磁繞組，加在場(chǎng)效應(yīng)管上的反峰電壓不與輸入電壓成正比，而是和所設(shè)計(jì)的最低輸入電壓下加在場(chǎng)效應(yīng)管上的反峰電壓幾乎一樣。當(dāng)（2）和（3）足夠小時(shí)，儲(chǔ)存在這些感性元件上的能量有限，電感與分布電容的比值不大，即等效特性阻抗不大（），Ld與Cd發(fā)生諧振，只要等效諧振頻率fegu()小于開(kāi)關(guān)工作頻率，那么在toff段，Uds兩端電壓是直流電源（Ui）疊加上等效蓄能（在Lm和漏感上）轉(zhuǎn)換成分布電容（Cd）上的電能。此電能由電容容量和電容兩端電壓、轉(zhuǎn)換時(shí)間決定。電容兩端電壓。當(dāng)輸入電壓上升時(shí)，ieq減小，反之則增大；所以Ud幾乎不變。Ud僅和輸出負(fù)載有關(guān)，而對(duì)輸入電壓的上升/下降則不敏感了。這樣在比較寬的輸入電壓范圍內(nèi)就可以不必按最高輸入電壓情況來(lái)選擇功率開(kāi)關(guān)管的耐壓。
圖2為一般正激式和改進(jìn)型正激式開(kāi)關(guān)器件兩端電壓波形Uds。3 應(yīng)用實(shí)例
3．1 UCC3802電流型控制器
UCC2802/3802是UNITRODE繼UC3842生產(chǎn)的一種高速、低損耗、高性能的電流型PWM控制器，其引腳方式與UC3842類(lèi)似。與 UC3842不同的是采用BI－CMOS集成技術(shù)，極大地降低了工作損耗；工作頻率也從500kHz提升到1MHz。由于采用了較先進(jìn)的技術(shù)，較 UC3842來(lái)說(shuō)，有些外圍元器件不再需要，如圖3虛線框內(nèi)所示的元器件。
UCC3802各管腳的功能如下：
1腳 誤差放大器輸出端
用于補(bǔ)償或電壓反饋信號(hào)直接接入。此IC已集成了軟起動(dòng)電路，見(jiàn)圖3左側(cè)虛線框內(nèi)兩電阻和三極管可省略。
2腳 電壓反饋信號(hào)輸入端
與UC3842所不同的是該誤差放大器的頻寬為2MHz，而UC3842為1MHz。3腳 電流信號(hào)輸入端
與UC3842所不同的是該IC內(nèi)有100ns前沿屏蔽功能，所以RC濾波器不再需要，另外內(nèi)部還多了一個(gè)過(guò)電流比較器，在過(guò)電流狀態(tài)時(shí)能迅速切斷6腳的輸出。UCC3802的電流放大器增益為1.65V/V，UC3842電流放大器增益為3V/V。
4 腳RT/CT端
UCC3802振蕩頻率f=1.5/RTCT，建議RT的范圍是10k至200k，建議CT的范圍是100pF至1000pF。
5 腳接地端
6 腳脈沖輸出端
與UC3842所不同的是采用CMOS作功率放大器，而不是用雙極型三極管，所以在理想情況下不應(yīng)有過(guò)沖和下沖，不再需要肖特基二極管并接在該端與地端。也不需要柵極泄放電阻。
7 腳電源輸入端
與UC3842不同，因采用CMOS結(jié)構(gòu)，輸入電壓不能太高，最高被限制在13.5V，這與UC3842里限制在34V不同。另外，起動(dòng)電壓是12.5V,關(guān)閉電壓是8.4V。
8 腳參考電壓輸出端
精度為±1％，而UC3842為±2％。帶載能力比UC3842差，最多5mA。
3.2 電源變壓器設(shè)計(jì)
單端正激式變換器變壓器的設(shè)計(jì)與反激式不同，與脈沖變壓器設(shè)計(jì)一樣。
首先，需要確定變壓器最大允許溫升（Tr），這個(gè)要求可從模塊電源設(shè)計(jì)的工作溫度范圍轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)。如確定最大工作溫度為＋55℃，那么變壓器的最大溫升限制在45℃是相當(dāng)安全的。
其次，確定開(kāi)關(guān)頻率fs、最大輸出功率、效率等參數(shù)。查找磁芯生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品數(shù)據(jù),在磁芯材質(zhì)特性一欄，選出在此工作頻率下有較小損耗因子的材質(zhì)號(hào)。根據(jù)計(jì)算方法及機(jī)械尺寸要求選出磁芯形狀和大小。作為一般性的計(jì)算有：
?。?）初級(jí)匝數(shù)Np
式中：D――在Ui輸入電壓下的占空比；
Bm――最大磁感應(yīng)強(qiáng)度（高斯）；
Br――剩磁感應(yīng)強(qiáng)度（高斯）；
Ae――磁芯有效截面積（平方厘米）；
f――開(kāi)關(guān)頻率（Hz）；
Ui――施加在初級(jí)繞組上的電壓幅值。
評(píng)論