一款可替代XXX系列300 W的DC/DC變換器設計

陳 俊，陳 瑜，喬 歡，溫博超

（陜西華經微電子股份有限公司 微電路事業部，陜西 西安 710065）

1 概 述

近年來隨著軍工領域的拓展，人們對高性能、小體積及高功率密度的DC/DC變換器的需求日益增長，國外某XXX系列電源產品憑借性能優良、可靠性高以及適用范圍廣等優勢在國內得到廣泛應用。但用戶在使用中發現該系列產品出現問題時無法追蹤，而且成本高、采購困難，尤其軍用產品甚至有可能被禁運。基于此，陜西華經微電子股份有限公司自主立項研發了高功率密度新型DC/DC變換器模塊，以打破封鎖，保障供應。該模塊在體積和電性能上同國外某款XXX電源相當，并且優于國內同型號產品。

2 300 W DC/DC變換器技術性能指標

300 W DC/DC變換器技術性能指標如表1所示。

表1 300 W DC/DC變換器技術性能指標

3 300 W DC/DC變換器設計

該產品采用同步整流有源鉗位正激式DC/DC的拓撲結構，為了防止高端輸入時同步整流的MOSFET柵極上的電壓過高，改用從二次繞組中增加驅動繞組的方式。該方式可以有效調節驅動同步整流的MOSFET柵極電壓，使MOSFET柵極電壓處在合理區域，從而保護了MOSFET，提高了電源的可靠性。采用光耦隔離反饋，將輸入電壓經過內部變壓器轉變成28 V電壓輸出，通過誤差反饋對輸出電壓進行穩定控制，通過濾波電路對輸出紋波進行有效調節。

根據XXX系列電源MCOTS28的主要技術性能指標和成熟工藝以及電源設計的經驗，經過周密思考并查閱大量有關資料，結合電路原理和體積的要求，采用平面變壓器多層PCB板扣磁技術。多層印制板集成在一起，線圈距離更小、散熱面積更大、漏感小、直流電阻小且分布電容也較小，提高了功率密度和產品效率，更適合批量生產。

采用輔助繞組驅動方案，與副邊繞組直接驅動方案相比，同步管的損耗減小了，效率得到提高。當輸出中高壓時，副邊繞組電壓較高，如果直接驅動同步管就會導致同步管的門極損壞。電路原理如圖1所示。

圖1 電路原理圖

3.1 輸出短路保護設計

該模塊電源的輸出短路保護電路由電流互感器和取樣分壓電阻來實現。電流互感器的作用是將功率開關管上的電流轉換為電壓信號，輸入IC2的引腳3，限制截止調制器脈寬，對電源起到保護作用。電流互感器的功率為純功耗，因此初級匝數較少，內阻較小。本次設計選用初、次級匝比為1∶100的電流互感器。LM5025A提供兩種電流保護模式，即逐周保護和打嗝保護。

逐周保護是電流取樣信號逐周關斷驅動輸出，即提前關斷每一周期，減小功率MOSFET的導通時間，實現了限流保護，是一種峰值電流控制方式。限流保護后輸出電壓會掉一些，但是電源仍有輸出，適合短期輕過載不斷輸出的工作模式。

打嗝保護是一旦檢測到輸出存在嚴重過流和短路現象便會關斷電路輸出若干時間，然后通過軟啟動來重新啟動電路，如果過流現象依然存在，則繼續關斷電路輸出。由于打嗝保護限制的時間更長，會關掉若干周期，因此出現持續嚴重過流的情況時可以顯著減小輸入平均電流，減少過流時的芯片和電路元器件損耗，從而大大降低了電源模塊在負載嚴重過載和短路時的熱應力。在過流期間，DC/DC變換器輸出電壓幾乎為零，可以有效防止嚴重過載和短路對模塊造成的傷害，也避免了負載故障的進一步擴大，在過流現象消除后可以自恢復。

本次設計利用了雙模式，將反饋信號同時接到LM5025A的3腳和4腳,輕過載條件下觸發逐周保護模式，嚴重過載時觸發打嗝保護模式，通過調節所接電阻的值來嚴格控制保護的程度，從而實現對DC/DC變換器更好的保護。

3.2 功率變壓器設計

變壓器磁芯需要通過DC/DC變換器的傳輸功率來選擇，本設計中輸出功率P0為300 W，根據以往的經驗，選擇磁芯材料型號為RM2.3KD，磁芯的AP值可以使用AP法來進行計算：

式中，Aw為磁芯的有效窗口面積，單位為cm2；Ae為磁芯的有效截面積，單位為cm2；ΔB為磁通密度變化量，取0.22 T；P0為輸出功率，取300 W；fT為變壓器工作頻率，取220 kHz；K為系數，取0.014。

由TDK手冊可知，PC44磁材的EE22磁芯AP=Aw×Ae=0.79 cm2×0.38 cm2≈ 0.3 cm4，可以滿足輸出功率和體積的要求。

變壓器初級繞組的匝數可以由法拉第電磁感應定律計算：

取整數3匝。

次級匝數計算根據正激式工作原理，輸入電壓和輸出電壓的關系為：

則次級匝數為：

取整數8匝。

3.3 鉗位電容設計

鉗位電容值的選取原則是：由鉗位電容CCL和變壓器的勵磁電感所組成的諧振電路的時間常數比主開關管關斷時的最長時間還要再長一些。考慮裕量設計，一般選取二者之間存在大約10倍的關系，即：

式中，Lm為變壓器初級電感量。由此可推出：

式中，f為工作頻率；Dmin為占空比。結合實際調試情況，設計選擇鉗位電容0.22 μF。

3.4 輸出濾波電路的設計

在DC/DC變換器的高頻整流輸出電路中，通常采用電感輸入式濾波器，即由電感和輸出濾波電容構成的LC型濾波器。電容在高頻下呈現很小的容抗，電感線圈在高頻下呈現很高的感抗，從而能夠有效抑制輸出電壓紋波，起到平滑直流輸出電壓的作用，使DC/DC變換器輸出盡可能穩定。輸出濾波電感是個儲能電感，在續流階段電源的輸出功率是由電感中所儲存的能量轉化而來的。其值可以由公式求出，輸出濾波電容上的電壓紋波要求是≤420 mV，電容最小值約為 81 μF。

4 產品性能指標測試結果

產品完成后進行一系列的產品性能指標測試，將3塊產品主要數據與XXX系列同功率電源進行指標對比，具體見表2。

表2 XXX系列同功率電源與HSC2828S300M主要指標對比

由表2可知，該產品電性能指標均符合要求，且優于XXX系列電源。

5 結 論

綜上所述，XXX系列300 W的DC/DC變換器在電特性上可完全替代XXX系列電源，并且該產品經檢測和試用，各項技術性能指標均能滿足用戶使用要求，得到了用戶認可。該產品已經開始小批量訂貨，可推廣到其他領域，具有一定的實際應用價值。