基于串联模式的24V转75V升压电源的设计

摘要：对于直流升压式电源的设计，通常的做法是采用分立元件，按所需的功能单元进行设计并构成系统，这种传统的设计存在电源体积大，结构复杂，输出功率不足，可靠性不高等问题。运用新的设计思想，利用模块串联升压原理，采用高可靠的DC/DC模块完成了24转75V升压电源的设计。整个电源体积小效率高，外围元件少，输出功率大。与原方案相比，缩短了设计周期、提高了产品可靠性。
关键词：DC/DC；串联模式；输出控制

0 引言
    某车载设备需要一台24V转75V的大功率直流升压电源，首套电源设计拘泥于传统的分立式设计方案，集成度差且缺乏实际验证，导致电源工作不可靠易保护，关键技术指标未达到设汁要求。在改进设计工作中+我们采用了目前技术成熟的高可靠的DC/DC模块完成设计。单个DC/DC模块的最高输出电压一般为+48V，要得到更高的输出电压，必须利用模块的输入输出隔离特性，采用模块串联的方法实现。由于电源输入电压为+24V，因此本设计采用三个模块串联来得到75V电压。DC/DC模块输出阻抗极低，即使是三个模块串联其串联输出阻抗相对于负载仍然可以忽略不计。

l 设计组成与工作原理
    本设计以PAF6001F24-28电源模块为核心，采用输入并联输出串联的方式，实现直流24V转75 V的电压转换。使用外接电位器可在一定范围内调节输出电压，输出电压可以在-60％~+10％标称值的范围内调整。单个模块的输出电压最高可调至28VxllO％=30.8V，最低输出电压可调至28 Vx60V%=6.8 V。这样三个模块串联使用时可以得到一个较宽的电压输出范围：50.4V～92.4V。当三个模块输出均调至25V时即得到75V电压。此时输出电流为600÷25=24 A。同时本升压电源还具有启动控制、电压监控以及过流、过压、过热等一系列保护功能，确保电源工作安全可靠。三模块串联工作原理图如图1所示。

    图2为单个电源模块的应用电路，输入端电解电容C1为储能电容，同时可以吸收模块输入端的电压尖峰。C2、C3为共模滤波电容，采用2kV的高压瓷片电容。D1为瞬态吸收二极管TVS，对电压瞬变和冲击起到防护抑制作用，可防止电源输入端出现瞬态高压尖峰将电源模块损坏，TVS还具备静电防护功能，对于确保模块的工作安全意义重大。另外，配合保险管使用还可预防输入端出现意外反接而损坏模块。

1.1 方案对比
    图3为分立元件方案的升压电源原理框图。该方案中，各功能单元均须单独设计，整个设计集成度低。特别是隔离升压变压器及H桥功率变换电路，由于不是特异型设计，只能采用常规产品，导致体积太大，并且整个设计未经充分的老化试验和实际工作的验证，这样往往需经过多次反复修改和完善才能满足设计要求，既费时又费力。而在DC/DC模块中，功率变压器及H型功率桥均设计成扁平的特殊形式，集成于模块封装中，大大节省了空间。并且电源模块技术早已十分成熟，可靠性极高，没计者只需以模块为核心进行一定的外围设计，合理利用模块的串、并联技术，根据设计需求实现升压或功率扩充，即可没计出满足技术指标要求的、性能优良的工作高可靠的集成电源。与分立式方案相比，设计周期缩短，可靠性及技术指标大大提高。

1.2 共膜滤波技术
    应用在模块输入端的共模扼流圈是电路中十分有效的共膜滤波器件，在共模干扰信号作用下，扼流圈上两线圈产生的磁通方向相同，作用相互加强，每一线圈电感值为单独存在时的两倍。这样对于电源产生的高频共模噪声，扼流圈等效阻抗高。因此，共模扼流圈对共模干扰有很强的抑制作用，而对差模电流呈现极低的阻抗，因而对有用的直流电流损耗极小。降低共模干扰的另一有效方法是加入旁路电容，如图2所示，C2、C3用于旁路共模电流，减少输入线之间的噪声，同时也可吸收输入端意外的电乐冲击。C1、C3选用4700pF/2kV高压瓷片电容。为防止寄生电感引入干扰，电容引脚应尽量短。

2 保护功能设计与电磁兼容措施
    图1中D1、D2、D3为快恢复二极管，均为串联方式中的保护器件，功能是防止反向电压加到任一电源模块上，要求D1、D2、D3反向耐压大于两倍的电源额定输出电压，电流大于两倍的电源额定输出电流，正向导通压降应尽量小。
    图2中的D1、D2为TVS管(浪涌电压吸收器)，TVS具有极短的响应时间和相当高的浪涌吸收能力，可抑制感性负载切换时产生的瞬变电压，也可用于保护设备或电路免受静电以及感应雷所产生的过电压的冲击。TVS以旁路吸收的方式保护了电源系统，同时降低了电磁干扰，提高了电源系统可靠性与寿命。使用中TVS管的击穿电压要比被保护电路工作电压高10％左右，以防止电路工作电压接近TVS击穿电压，造成TVS出现漏电流并影响电路正常工作；还可以避免因环境温度变化导致TVS击穿电压落入线路正常工作电压的范围。
    在模块输出电压调整端加滤波电容有助于降低纹波。通过在电源系统调整端和输出端采用聚脂电容滤波，电源内部采用双绞线走线方式等多方面滤波措施，最终使得+75 V电源系统的输出纹波控制在400～600 mV，满足了+75 V电源纹波电压≤750mV的使用要求。

3 结语
    分立元件设计方案中，采用的元器件种类及数量繁多，集成度低，可靠性较差。特别是大功率的开关变压器、功率全桥、散热器等功率部件体积较大，装配及安装复杂。而模块化设计的电源体积紧凑、形状规则、安装容易。依靠机箱壳体传导散热无须设计专门的散热器，散热面积大，其工作的可靠性已在实际应用中得到验证。随着DC/DC模块技术水平的提高，各类电源的设计手段越来越先进，在一些要求体积小、设计质量高、研制周期短的电源设计任务中，采用技术成熟的高可靠的DC/DC模块以串联模式完成升压电源设计，不失为一种首选的设计手段。