一種多路非隔離dcdc變換器的設(shè)計

1變壓器變換對功率傳遞的影響電力電子技術(shù)在理論上的不斷完善和技術(shù)領(lǐng)域的可持續(xù)創(chuàng)新，導(dǎo)致了種類繁多的開關(guān)dc-d換換器。當(dāng)前,根據(jù)是否采用變壓器進(jìn)行功率傳遞,通?？蓪⑵浯笾路譃楦綦x型和非隔離型兩類。其中非隔離型DC/DC變換器因不受變壓器和光耦等隔離器件的限制,故在產(chǎn)品體積和效率上較之隔離型都有較大優(yōu)勢。因此,在進(jìn)行系統(tǒng)整體規(guī)劃設(shè)計時,若對變換器的隔離沒有特別要求,可選用非隔離型DC/DC變換器,這對整個系統(tǒng)指標(biāo)的設(shè)定更具有優(yōu)勢2正電源輸出電流本設(shè)計所要求的DC/DC變換器的性能指標(biāo)如下:輸入電壓范圍:28±2V;輸出電壓:8.5±0.2V,-0.8±0.2V;輸出電流:≤3A(@8.5±0.2V),≤50mA(@-0.8±0.2V);輸出紋波電壓:≤200mV;上電啟動時序:先負(fù)后正;斷電停止時序:先正后負(fù);外形尺寸:(單位mm)。以上指標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重難點(diǎn)在于:尺寸較小,多路輸出;正電源輸出電流較大;滿載輸出紋波電壓較低;需要實(shí)現(xiàn)指定的上電/斷電時序。3負(fù)反饋回路原理該電路是非隔離型的功率轉(zhuǎn)換組件,主電路采用同步整流Buck型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如圖2所示。先由TPS40055PWP控制器來控制開關(guān)的通斷,通過對輸入電壓進(jìn)行斬波處理,形成脈沖能量信號。根據(jù)傅里葉分析可知,該信號中富含若干高次諧波分量,不可直接提供后級電路使用。因此需要再由輸出LC濾波器對脈沖信號進(jìn)行整流濾波,最大限度降低高頻諧波的干擾,以達(dá)到輸出直流電壓的目的。負(fù)反饋回路用于檢測輸出電壓與電流幅度,通過檢測電路產(chǎn)生對應(yīng)電壓值,與參考電壓進(jìn)行比較,通過內(nèi)部遲滯比較器來產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM(脈寬調(diào)制)信號,最后經(jīng)過驅(qū)動電路來控制開關(guān)調(diào)整管的通斷時間,從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓,提供額定輸出電流的目的根據(jù)Buck控制芯片的要求,選用了NMOS電路Si7884DP來替代傳統(tǒng)Buck拓?fù)渲胁捎玫睦m(xù)流二極管,因MOS管的導(dǎo)通電阻(R當(dāng)開關(guān)MOS管導(dǎo)通時,電容開始充電。在此過程中,流過電感內(nèi)的電流會逐漸增加,電感內(nèi)部儲存的磁場能量會隨之增強(qiáng);反之,當(dāng)開關(guān)管截止時,電感中的電流減小,電感兩端產(chǎn)生的反向感應(yīng)電動勢使續(xù)流二極管導(dǎo)通,電感中儲存的磁場能量通過續(xù)流二極管傳遞給負(fù)載。因此,在整個Buck電路中電感起到續(xù)流和濾波的作用,電感量可通過以下公式獲得式中,U本設(shè)計的總體電原理結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。4關(guān)鍵技術(shù)和解決方案4.1等功率水平的變壓器電路選用單片集成電路為核心器件進(jìn)行設(shè)計。與同等功率水平的隔離型開關(guān)電源相比較,作為多路輸出的電源組件,確保了在有限的尺寸內(nèi)完成了極為緊湊的布局布線,極大地提高了產(chǎn)品的適用性。4.2信號串?dāng)_的控制該產(chǎn)品每一路的紋波均要求小于200mV。因此,除了在電源的每路輸出端加入LC濾波器或?yàn)V波電容外,還要消除各種走線之間的串?dāng)_。為此,在進(jìn)行電路設(shè)計時特意采取了以下解決措施:(1)主功率回路路徑中有大電流流過,主要的功率元器件——開關(guān)MOS管、電感等的選取應(yīng)考慮功耗及能量傳遞效能,并盡可能布局緊湊以減小環(huán)路面積,且需與小信號控制回路拉開一定的距離進(jìn)行放置,防止電磁干擾。(2)各種大功率走線、控制信號線、驅(qū)動信號線等相互間不要長距離平行分布,以此來規(guī)避信號間的串?dāng)_。(3)MOS管的柵極與控制芯片(或驅(qū)動器)的控制輸出端的連接要盡量短,或者在兩者間串聯(lián)一個小電阻,且靠近MOS管柵極,以阻尼走線電感和MOS結(jié)電容引起的振蕩。另外,PMOS管柵極存在寄生電容,在上電的極短時間內(nèi)GS極會產(chǎn)生一個電壓差,可能導(dǎo)致開關(guān)PMOS管誤導(dǎo)通?？稍赑MOS管的GS間接入電阻,在電平到來時該電阻可快速地平衡兩極間的電位,如圖4所示。(4)工藝上采用四層板,頂層為主功率回路及控制器信號回路;第三層是驅(qū)動信號和少量電源線及小信號走線;第二層和底層為全銅的鋪地,以進(jìn)一步屏蔽各回路間的串?dāng)_。通過以上措施,開關(guān)電源中常規(guī)的EMI問題均得到了妥善的處理,在實(shí)際測試過程中電路自身工作正常,并且也未對周圍其他電子部件產(chǎn)生干擾等不良影響。4.3等效串連電阻的選擇在電路的設(shè)計中,輸入濾波電容的選擇和放置非常重要。首先,濾波電容要選用具有較小等效串連電阻ESR和等效串聯(lián)電感ESL的高頻陶瓷電容;其次,該濾波電容兩端到控制器供電端的連線要盡量短。通常輸入電容必須緊靠控制器的輸入電源引腳,為高頻瞬態(tài)電流提供低感抗的回流路徑,有效抑制脈動噪聲,減小電壓波動。4.4時序控制電路設(shè)計該變換器還具有如下特別功能:上電啟動時序先負(fù)后正;斷電停止時序先正后負(fù)。時序控制電路設(shè)計如圖5所示。圖5中,當(dāng)負(fù)電源到來后,V再如圖6所示,當(dāng)8.5V正常輸出時,經(jīng)過肖特基二極管D式中,U是充電時電容輸入電壓,U綜上所述,本設(shè)計滿足了預(yù)期的上電、斷電時序要求。4.5熱設(shè)計及熱仿真為確保產(chǎn)品的可靠性,在結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用了無外殼PCB結(jié)構(gòu),通過合理的版圖布局,使得產(chǎn)品內(nèi)部的熱源分布均勻,避免因局部過熱而影響可靠性。計算主要發(fā)熱單元的功耗值,將其導(dǎo)入仿真軟件Ansoft中,利用內(nèi)部現(xiàn)有的算法求解獲得實(shí)際電路板的3D發(fā)熱模型,如圖7所示。從圖7中可以清晰地看到內(nèi)部主要元器件上的熱量分布情況,可見功率MOSFET和儲能濾波電感上的熱量最高,這與理論分析求得的器件功耗情況一致。該仿真在最高工作環(huán)境溫度,底部貼散熱板的情況下進(jìn)行模擬分析,實(shí)際應(yīng)用時可增加散熱片、風(fēng)冷等散熱措施,以進(jìn)一步降低溫度。5實(shí)驗(yàn)電路介紹針對以上分析,實(shí)際設(shè)計了一款實(shí)驗(yàn)電路。圖8、圖9為實(shí)驗(yàn)電路版圖,圖10、圖11為電路實(shí)測波形。從波形可以看出,滿載時,輸出紋波電壓峰峰值小于200mV;上電啟動時序?yàn)橄蓉?fù)后正。實(shí)驗(yàn)電路滿足設(shè)計要求。6實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證本文在電路體積有限的情況下,設(shè)計了一種包含有多路輸出的高效率開關(guān)電源。通過選用Buck拓?fù)?采用非隔離結(jié)構(gòu),并引入同步整流技術(shù),最大限度地提升了效率;并且通過優(yōu)化布局走線,使得串?dāng)_、輻射等開關(guān)電源工作中通常存在的電磁干擾問題得以基本消除?；诶碚撚嬎愎β势骷芎?結(jié)合軟件仿真,設(shè)定了主功率回路參數(shù)