一種新型高溫PWM控制電路的設計

丁瀚 劉林 王毅

（中國電子科技集團公司第四十三研究所 安徽省合肥市 230088）

1 引言

當前高可靠、長壽命、工作溫度范圍寬（-55 ～125℃）、抗環境應力能力強的常規DC/DC 變換器廣泛應用于航天、航空、兵器、船舶等各種應用領域。隨著科學技術的進步，整機系統對DC/DC 變換器的要求也越來越高，其發展方向主要為高頻化、小型化、高功率密度等。但是同時對包括抗輻照、耐極高溫、耐極低溫等在內的耐受特殊環境能力的DC/DC 變換器的需求也越來越強烈。

深空探測、深井勘探、飛機發動機控制系統和內燃機戰車控制系統中均存在高溫環境。如月球表面高溫可達127℃以上；深井測井儀器需要工作在環境溫度168℃以上；飛機發動機控制系統工作的最高工作溫度可達93℃以上；內燃機戰車控制系統工作的最高溫度可達90℃以上。最高殼溫125℃的常規DC/DC 變換器工作在環境溫度90℃時，考慮到外殼存在溫升，已達到現有產品能力極限，無法滿足溫度降額要求，因此這些特殊場合需要能夠耐受高溫的電源產品。

本文介紹一種應用于185℃高溫的新型PWM 控制電路，解決了高溫環境下（185℃）無合適PWM 控制電路的問題，突破了常規半導體器件175℃結溫的限制，使用全新的高溫PWM 芯片和高溫MOSFET 以及全新的電路形式，具有適用溫度范圍廣、靜態電流小、系統響應性能好等特點，可廣泛應用于各類高溫開關電源中。

2 電路方案設計和原理分析

2.1 主控芯片的選擇

本文涉及的PWM 控制方法，突破了常規半導體175℃結溫的限制，可用在最高殼溫185℃的高溫DC/DC 變換器中。因此，傳統Si 工藝的芯片已不再適用。

要設計出應用于185℃高溫環境下的PWM 控制電路，就必須優選基于Soi 工藝的新型芯片，替代傳統Si 工藝的芯片。本文所選用的CHT-MAGMA 芯片即為一款基于Soi 工藝的PWM 芯片，Soi工藝的芯片主要優勢在于抗高溫，可在225℃以上的高溫環境中正常工作。

其他所用材料如電容、電阻均優選可抗擊200℃高溫的耐高溫器件。因此可將電路整體的工作溫度由常規最高+125℃提升至最高185℃。

圖1：高溫PWM 控制電路原理框圖

圖2：預調節電路圖

2.2 電路方案的設計

基于所選用的高溫器件，設計出PWM 控制電路方案，主要包括預調節電路、開關振蕩電路、電流環路、電壓環路及欠壓保護電路。如圖1 所示。

其中，電壓環路和電流環路的功能是設置PWM 芯片的輸出占空比，開關振蕩電路的功能是設置PWM 芯片的開關頻率，預調節電路為PWM 芯片提供了供電；欠壓保護電路設置了PWM 芯片的欠壓保護點。

2.3 主要電路參數的設計

2.3.1 預調節電路設計

由于PWM 控制芯片無法承受30V 以上的輸入電壓，因此需要架構預調節電路來保證芯片供電，電路圖如圖2 所示。

MOSFET 管Q18 在該電路中被當做源極跟隨使用，電阻R51、R52 形成了VIN 與VDD5V 之間的分壓。使用的MOSFET 管為SNMOS80，可在250℃下正常工作。電容C62 起到了濾波的作用，R50 和R53 起到了抑制瞬態電流的作用，保護器件不被燒毀。

2.3.2 欠壓保護電路的設計

設置欠壓保護電路可有效保護電路不在輸入電壓過低時受損，提高電路整體的可靠性，電路圖如圖3 所示。

R19，R27+R25 可對輸入電壓Vin 分壓，該分壓小與芯片內部VREF 時，內部比較器輸出低電平且PWM 輸出被禁止。這就保證了產品在輸入電壓過低時，輸入電流不會過大，避免了芯片受損。

2.3.3 開關振蕩電路設計

在PWM 芯片中，開關頻率由內部振蕩器控制，該振蕩器的頻率為50HZ 到500KHZ 可調。可由圖4 的電路設置開關頻率。

本設計中，設置開關頻率fs_typ=150kHz，根據手冊，該芯片的工作頻率可由下式計算

VDD 與DISCHARGE 之間的內置電阻RA=38.8kΩ

THRESHOLD 與DISCHARGE 之間的內置電阻RB=4.85kΩ

開關電容C25

2.3.4 電流環路設計

本設計中采用反激拓撲，因此需要電流環路，電流環路電路如圖5 所示。

匝比選擇1：60 用以降低在電流取樣時的損耗。

取樣所得的信號經過Q5 整流，此處Q5 當做二極管使用，整流后R2 上的電壓可由下面公式計算。

之后該信號被R11，C32 濾波之后進入芯片17 腳。17 腳連接芯片內部高速比較器。用以控制PWM 輸出。

2.3.5 電壓環路設計

電壓環路電路如圖6 所示。

芯片內置的運算放大器被用作電壓誤差放大器。輸出電壓被磁隔離變壓器反饋到原邊，之后反饋電壓被Q6,C1 整流濾波，電阻R29，R34 以及RV1 分壓輸入到芯片內部誤差放大器，與芯片內部基準電壓進行比較之后調整芯片輸出的占空比，來控制產品的輸出電壓。

圖3：欠壓保護電路圖

圖4：開關振蕩電路圖

圖5：電流環路電路

圖6：電壓環路電路

表1：測試指標

圖7：Vin=25V 主開關管DS 與GS 波形

圖8：Vin=28V 主開關管DS 與GS 波形

圖9：Vin=31V 主開關管DS 與GS 波形

3 應用實例

本文在一款28V 輸入±12V/0.5A 輸出的高溫DC/DC 變換器（最高工作溫度185℃）中，驗證該新型高溫PWM 控制電路。

該電路在高溫185℃環境下正常工作，所測試的指標如表1 所示。

因此可看出該高溫DC/DC 變換器產品在185℃的環境溫度下可正常工作，在輸入電壓在25V，28V，以及31V 的情況下，主功率MOSFET 的驅動和漏源極波形如圖7，圖8，圖9 所示。

由此可見，該產品占空比可以正常調節，該高溫PWM 控制電路在產品中正常工作。

4 總結

本文介紹了一種新型高溫PWM 控制電路，詳述了該電路的功能、器件的選擇以及方案的設計，實現了可在185℃高溫下工作的PWM 控制電路的設計，并在高溫DC/DC 變換器中使用了該方案，驗證了該方案的可行性。