通信用正激式DC/DC模块电源设计
时间：2009-07-26 22:43:19
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[导读]通信用DC/DC模块电源功率级一般从几瓦至几十瓦，输出电压从几伏至上百伏，对于几十瓦的电源，一般以低压大电流为主，有5V/10A、 5V/6A、3.3V/8A等规格，效率一般在80％左右（具体视输出电压大小）。因为模块电源要求MTBF（平均无故障时间）1000000小时以上，所以要尽量避免使用电解电容，最好使用陶瓷电容。陶瓷电容容量不大，具有非常好的高频特性。此外，DC/DC模块电源的厚度要求小于12.7mm，所以对变压器的要求高，磁芯必须具有扁平的形状和在高频情况下具有较小的损耗因子。
1 引言
通信用DC/DC模块电源功率级一般从几瓦至几十瓦，输出电压从几伏至上百伏，对于几十瓦的电源，一般以低压大电流为主，有5V/10A、 5V/6A、3.3V/8A等规格，效率一般在80％左右（具体视输出电压大小）。因为模块电源要求MTBF（平均无故障时间）1000000小时以上，所以要尽量避免使用电解电容，最好使用陶瓷电容。陶瓷电容容量不大，具有非常好的高频特性。此外，DC/DC模块电源的厚度要求小于12.7mm，所以对变压器的要求高，磁芯必须具有扁平的形状和在高频情况下具有较小的损耗因子。
通常选用的芯材有TDK的PC40/44、PC50，菲利浦的3F3、3F4，国产的如金宁R2KD、R2KBD、R2KB1等。形状以罐型为主，因为罐型磁芯具有较好的屏蔽，EMI中的棘手问题——辐射也就好解决得多了。同时不能使局部温度太高，必须均衡放置发热元件，另外还要求较低的纹波和较高的效率等，所有这些挑战使得采用正激式必较合适。
2 正激式电路工作原理
2．1 一般正激式
图1所示为单端正激式电路，它犹如带变压器的Buck型变换器。输出电压UO由N2/N1、占空比D和输入电压确定，即UO=（N2/N1）·D·Ui。
当PWM控制器输出正脉冲，功率开关导通，变压器的初级绕组流过电流，此电流由两部分组成：第一部分为磁化电流，即流经等效开环电感上的电流；第二部份是与输出电流等效的初级电流，它和初次级匝比成反比，和输出电流成正比。储存在电感上的能量必须在功率开关关断后下一次开启前泄放掉，以便使磁通复位。 N3即为去磁绕组，一般N3=N1。如果设计一个36V至72V直流输入、5V/6A输出的模块电源，当去磁绕组与初级绕组的匝比为1时，Udsr= 72V＋72V=144V。选用反峰Uds为200V的IRF630场效应管，仅有50V的裕量用于承受异常时和叠加在此电压上的尖峰脉冲。场效应管的 Rds(on)与允许的Udsr成反比，如IRF630的Rds(on)是0.4Ω,而耐压为100V的同系列产品IRF530N为0.11Ω。很显然，对宽范围输入的电源设计选用高耐压的场效应管（最高输入直流电压Uimax×2使用）仅仅是为了对付高端输入有点不太经济。现介绍一种能克服此缺点的改进型电路。
2．2 改进型正激式
当变压器的参数和外在工作频率满足下列条件：
（1）开关频率足够高；
（2）磁化电流足够小；
（3）漏感足够小。便不再需要去磁绕组，加在场效应管上的反峰电压不与输入电压成正比，而是和所设计的最低输入电压下加在场效应管上的反峰电压几乎一样。当（2）和（3）足够小时，储存在这些感性元件上的能量有限，电感与分布电容的比值不大，即等效特性阻抗不大（），Ld与Cd发生谐振，只要等效谐振频率fegu()小于开关工作频率，那么在toff段，Uds两端电压是直流电源（Ui）叠加上等效蓄能（在Lm和漏感上）转换成分布电容（Cd）上的电能。此电能由电容容量和电容两端电压、转换时间决定。电容两端电压。当输入电压上升时，ieq减小，反之则增大；所以Ud几乎不变。Ud仅和输出负载有关，而对输入电压的上升/下降则不敏感了。这样在比较宽的输入电压范围内就可以不必按最高输入电压情况来选择功率开关管的耐压。
图2为一般正激式和改进型正激式开关器件两端电压波形Uds。
3 应用实例
3．1 UCC3802电流型控制器
UCC2802/3802是UNITRODE继UC3842生产的一种高速、低损耗、高性能的电流型PWM控制器，其引脚方式与UC3842类似。与 UC3842不同的是采用BI－CMOS集成技术，极大地降低了工作损耗；工作频率也从500kHz提升到1MHz。由于采用了较先进的技术，较 UC3842来说，有些外围元器件不再需要，如图3虚线框内所示的元器件。
UCC3802各管脚的功能如下：
1脚 误差放大器输出端
用于补偿或电压反馈信号直接接入。此IC已集成了软起动电路，见图3左侧虚线框内两电阻和三极管可省略。
2脚 电压反馈信号输入端
与UC3842所不同的是该误差放大器的频宽为2MHz，而UC3842为1MHz。
3脚 电流信号输入端
与UC3842所不同的是该IC内有100ns前沿屏蔽功能，所以RC滤波器不再需要，另外内部还多了一个过电流比较器，在过电流状态时能迅速切断6脚的输出。UCC3802的电流放大器增益为1.65V/V，UC3842电流放大器增益为3V/V。
4 脚RT/CT端
UCC3802振荡频率f=1.5/RTCT，建议RT的范围是10k至200k，建议CT的范围是100pF至1000pF。
5 脚接地端
6 脚脉冲输出端
与UC3842所不同的是采用CMOS作功率放大器，而不是用双极型三极管，所以在理想情况下不应有过冲和下冲，不再需要肖特基二极管并接在该端与地端。也不需要栅极泄放电阻。
7 脚电源输入端
与UC3842不同，因采用CMOS结构，输入电压不能太高，最高被限制在13.5V，这与UC3842里限制在34V不同。另外，起动电压是12.5V,关闭电压是8.4V。
8 脚参考电压输出端
精度为±1％，而UC3842为±2％。
带载能力比UC3842差，最多5mA。
3.2 电源变压器设计
单端正激式变换器变压器的设计与反激式不同，与脉冲变压器设计一样。
首先，需要确定变压器最大允许温升（Tr），这个要求可从模块电源设计的工作温度范围转换过来。如确定最大工作温度为＋55℃，那么变压器的最大温升限制在45℃是相当安全的。
其次，确定开关频率fs、最大输出功率、效率等参数。查找磁芯生产厂家的产品数据,在磁芯材质特性一栏，选出在此工作频率下有较小损耗因子的材质号。根据计算方法及机械尺寸要求选出磁芯形状和大小。作为一般性的计算有：
（1）初级匝数Np
式中：D——在Ui输入电压下的占空比；
Bm——最大磁感应强度（高斯）；
Br——剩磁感应强度（高斯）；
Ae——磁芯有效截面积（平方厘米）；
f——开关频率（Hz）；
Ui——施加在初级绕组上的电压幅值。
[!--empirenews.page--] （2）初级电感量
初级电感量即Lm（磁化电感），此电感量越大越好，但是在保证磁芯不致饱和的前提下，Lm=(Ui×ton)/Im,Im为磁化电流，此电流越小越好，Im一般取（10～20）％IP(初级最大峰值电流)。
（3）次级匝数Ns
式中：Ui(min)——最小输入电压；
UMOSFET——场效应管上的电压降；
Ud——输出二极管的压降；
Dmax——最大占空比。
（4）初次级线径
在高频下，由于趋肤效应会使绕组等效电阻值增大。为此需要计算穿透深度Δ
式中:f——开关频率（Hz）；
km——与材料和温度有关的系数。
选择线径小于2.5×Δ的铜线或铜箔比较合适。并联根数或铜箔截面积取决于电流密度值，一般选取范围为(2～5)A/mm2
（5）绕线方法
要求尽可能采用“三明治绕法”降低漏感值，以达到无需使用换位绕组的目的。
4 测试数据
测试的数据如表1、表2、表3所示。
5 测试线路图
测试线路如图3所示。
6 样图及说明
图4为该电路原理的应用。V2是MOTOROLA生产的Udsr为100V、Rds(on)为0.25Ω、DPAK封装的场效应管。V3是ROHM生产的SOT?89封装的三极管，L1的电感量为4.2μH±10％。C9、C10、C11是贴片陶瓷电容。如果在输入电压范围、负载范围内某一点发生振荡，可调整R16、C13、R4、C1的值来消除它。本例选用的工作频率是750kHz。选用的磁芯型号是PHILIPS的EFD15-3F3-Z，根据电感系数自己开出适当气隙。该电路既提高了工作频率，减小了体积，降低了成本，效率却没有降低。经过简单的电路改变，可设计出3.3V/8A、 5V/8A、隔离和非隔离DC/DC变换器来。
通信用DC/DC模块电源功率级一般从几瓦至几十瓦，输出电压从几伏至上百伏，对于几十瓦的电源，一般以低压大电流为主，有5V/10A、 5V/6A、3.3V/8A等规格，效率一般在80％左右（具体视输出电压大小）。因为模块电源要求MTBF（平均无故障时间）1000000小时以上，所以要尽量避免使用电解电容，最好使用陶瓷电容。陶瓷电容容量不大，具有非常好的高频特性。此外，DC/DC模块电源的厚度要求小于12.7mm，所以对变压器的要求高，磁芯必须具有扁平的形状和在高频情况下具有较小的损耗因子。
通常选用的芯材有TDK的PC40/44、PC50，菲利浦的3F3、3F4，国产的如金宁R2KD、R2KBD、R2KB1等。形状以罐型为主，因为罐型磁芯具有较好的屏蔽，EMI中的棘手问题——辐射也就好解决得多了。同时不能使局部温度太高，必须均衡放置发热元件，另外还要求较低的纹波和较高的效率等，所有这些挑战使得采用正激式必较合适。
2 正激式电路工作原理
2．1 一般正激式
图1所示为单端正激式电路，它犹如带变压器的Buck型变换器。输出电压UO由N2/N1、占空比D和输入电压确定，即UO=（N2/N1）·D·Ui。
当PWM控制器输出正脉冲，功率开关导通，变压器的初级绕组流过电流，此电流由两部分组成：第一部分为磁化电流，即流经等效开环电感上的电流；第二部份是与输出电流等效的初级电流，它和初次级匝比成反比，和输出电流成正比。储存在电感上的能量必须在功率开关关断后下一次开启前泄放掉，以便使磁通复位。 N3即为去磁绕组，一般N3=N1。如果设计一个36V至72V直流输入、5V/6A输出的模块电源，当去磁绕组与初级绕组的匝比为1时，Udsr= 72V＋72V=144V。选用反峰Uds为200V的IRF630场效应管，仅有50V的裕量用于承受异常时和叠加在此电压上的尖峰脉冲。场效应管的 Rds(on)与允许的Udsr成反比，如IRF630的Rds(on)是0.4Ω,而耐压为100V的同系列产品IRF530N为0.11Ω。很显然，对宽范围输入的电源设计选用高耐压的场效应管（最高输入直流电压Uimax×2使用）仅仅是为了对付高端输入有点不太经济。现介绍一种能克服此缺点的改进型电路。
2．2 改进型正激式
当变压器的参数和外在工作频率满足下列条件：
（1）开关频率足够高；
（2）磁化电流足够小；
（3）漏感足够小。便不再需要去磁绕组，加在场效应管上的反峰电压不与输入电压成正比，而是和所设计的最低输入电压下加在场效应管上的反峰电压几乎一样。当（2）和（3）足够小时，储存在这些感性元件上的能量有限，电感与分布电容的比值不大，即等效特性阻抗不大（），Ld与Cd发生谐振，只要等效谐振频率fegu()小于开关工作频率，那么在toff段，Uds两端电压是直流电源（Ui）叠加上等效蓄能（在Lm和漏感上）转换成分布电容（Cd）上的电能。此电能由电容容量和电容两端电压、转换时间决定。电容两端电压。当输入电压上升时，ieq减小，反之则增大；所以Ud几乎不变。Ud仅和输出负载有关，而对输入电压的上升/下降则不敏感了。这样在比较宽的输入电压范围内就可以不必按最高输入电压情况来选择功率开关管的耐压。
图2为一般正激式和改进型正激式开关器件两端电压波形Uds。
3 应用实例
3．1 UCC3802电流型控制器
UCC2802/3802是UNITRODE继UC3842生产的一种高速、低损耗、高性能的电流型PWM控制器，其引脚方式与UC3842类似。与 UC3842不同的是采用BI－CMOS集成技术，极大地降低了工作损耗；工作频率也从500kHz提升到1MHz。由于采用了较先进的技术，较 UC3842来说，有些外围元器件不再需要，如图3虚线框内所示的元器件。
UCC3802各管脚的功能如下：
1脚 误差放大器输出端
用于补偿或电压反馈信号直接接入。此IC已集成了软起动电路，见图3左侧虚线框内两电阻和三极管可省略。
2脚 电压反馈信号输入端
与UC3842所不同的是该误差放大器的频宽为2MHz，而UC3842为1MHz。
3脚 电流信号输入端
与UC3842所不同的是该IC内有100ns前沿屏蔽功能，所以RC滤波器不再需要，另外内部还多了一个过电流比较器，在过电流状态时能迅速切断6脚的输出。UCC3802的电流放大器增益为1.65V/V，UC3842电流放大器增益为3V/V。
4 脚RT/CT端
UCC3802振荡频率f=1.5/RTCT，建议RT的范围是10k至200k，建议CT的范围是100pF至1000pF。
5 脚接地端
6 脚脉冲输出端
与UC3842所不同的是采用CMOS作功率放大器，而不是用双极型三极管，所以在理想情况下不应有过冲和下冲，不再需要肖特基二极管并接在该端与地端。也不需要栅极泄放电阻。
7 脚电源输入端
与UC3842不同，因采用CMOS结构，输入电压不能太高，最高被限制在13.5V，这与UC3842里限制在34V不同。另外，起动电压是12.5V,关闭电压是8.4V。
8 脚参考电压输出端
精度为±1％，而UC3842为±2％。
带载能力比UC3842差，最多5mA。
3.2 电源变压器设计
单端正激式变换器变压器的设计与反激式不同，与脉冲变压器设计一样。
首先，需要确定变压器最大允许温升（Tr），这个要求可从模块电源设计的工作温度范围转换过来。如确定最大工作温度为＋55℃，那么变压器的最大温升限制在45℃是相当安全的。
其次，确定开关频率fs、最大输出功率、效率等参数。查找磁芯生产厂家的产品数据,在磁芯材质特性一栏，选出在此工作频率下有较小损耗因子的材质号。根据计算方法及机械尺寸要求选出磁芯形状和大小。作为一般性的计算有：
（1）初级匝数Np
式中：D——在Ui输入电压下的占空比；
Bm——最大磁感应强度（高斯）；
Br——剩磁感应强度（高斯）；
Ae——磁芯有效截面积（平方厘米）；
f——开关频率（Hz）；
Ui——施加在初级绕组上的电压幅值。
[!--empirenews.page--] （2）初级电感量
初级电感量即Lm（磁化电感），此电感量越大越好，但是在保证磁芯不致饱和的前提下，Lm=(Ui×ton)/Im,Im为磁化电流，此电流越小越好，Im一般取（10～20）％IP(初级最大峰值电流)。
（3）次级匝数Ns
式中：Ui(min)——最小输入电压；
UMOSFET——场效应管上的电压降；
Ud——输出二极管的压降；
Dmax——最大占空比。
（4）初次级线径
在高频下，由于趋肤效应会使绕组等效电阻值增大。为此需要计算穿透深度Δ
式中:f——开关频率（Hz）；
km——与材料和温度有关的系数。
选择线径小于2.5×Δ的铜线或铜箔比较合适。并联根数或铜箔截面积取决于电流密度值，一般选取范围为(2～5)A/mm2
（5）绕线方法
要求尽可能采用“三明治绕法”降低漏感值，以达到无需使用换位绕组的目的。
4 测试数据
测试的数据如表1、表2、表3所示。
表1 各种不同输入电压情况（满载时）
输入电压（V） | 输入电流（A） | 输出电压（V） | 输出电流（A） | 输出纹波（mV,p-p） | 输出效率（%） |
20 | 1.775 | 4.9894 | 6.00 | 47.2 | 84.5 |
24 | 1.472 | 4.9832 | 6.00 | 44.2 | 84.9 |
48 | 0.728 | 4.9852 | 6.00 | 40.6 | 85.9 |
60 | 0.589 | 4.9865 | 6.00 | 45.3 | 84.9 |
表2 各种不同输入电压情况（半载时）
输入电压（V） | 输入电流（A） | 输出电压（V） | 输出电流（A） | 输出纹波（mV,p-p） | 输出效率（%） |
20 | 0.875 | 5.0021 | 3.00 | 25.2 | 85.7 |
24 | 0.727 | 5.0025 | 3.00 | 25.2 | 86.0 |
48 | 0.361 | 5.0026 | 3.00 | 24.6 | 86.7 |
60 | 0.290 | 5.0024 | 3.00 | 25.3 | 86.1 |
表3 各种不同输入电压情况（空载时）
输入电压（V） | 输入电流（A） | 输出电压（V） | 输出电流（A） | 输出纹波（mV,p-p） | 输出效率（%） |
20 | 6.5 | 5.0231 | - | 11.5 | - |
24 | 6.2 | 5.0235 | - | 11.5 | - |
48 | 4.2 | 5.0236 | - | 12.6 | - |
60 | 4.0 | 5.0024 | - | 15.0 | - |
5 测试线路图
测试线路如图3所示。
6 样图及说明
图4为该电路原理的应用。V2是MOTOROLA生产的Udsr为100V、Rds(on)为0.25Ω、DPAK封装的场效应管。V3是ROHM生产的SOT?89封装的三极管，L1的电感量为4.2μH±10％。C9、C10、C11是贴片陶瓷电容。如果在输入电压范围、负载范围内某一点发生振荡，可调整R16、C13、R4、C1的值来消除它。本例选用的工作频率是750kHz。选用的磁芯型号是PHILIPS的EFD15-3F3-Z，根据电感系数自己开出适当气隙。该电路既提高了工作频率，减小了体积，降低了成本，效率却没有降低。经过简单的电路改变，可设计出3.3V/8A、 5V/8A、隔离和非隔离DC/DC变换器来。
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