一種反激式雙輸出DC/DC變換器的設計與實現

鄧海飛

（深圳寶礫微電子有限公司，廣東深圳 518000）

1 DC/DC變換器工作原理

反激式雙輸出DC/DC 變換器是電力系統能量傳輸的主要介質。這種器件結構簡單、功率密度高、能量流動雙向，可廣泛應用于各種電子領域。

1.1 主電路拓撲

根據開關電源的功率設計要求和功率要求，分析了主電路的拓撲結構。為了有效地抑制主管的電壓振蕩，需要通過減小反向電流來降低功率損耗。與普通二極管相比，增加了箝位二極管。與普通二極管相比，導電電阻更小，整個電流導電路徑的能量損耗被抑制，并形成同步整流管的輸出濾波器，電壓控制功能更強。

1.2 工作過程分析

與傳統的移位全橋變換器相比，采用二極管箝位的DC/DC 變換器后，改進的主電路拓撲對整個電壓有更好的控制效果。它以時間等效電路的形式調節負載電流的流量，提高了電流兩端諧振電感的匹配度，避免了電壓峰值過高對輸出整體電流的電壓抑制作用。當等效電路圖中反向充電電流消失時，電感電流不能發生突變，電流流量值不能迅速減小到兩端輸出電流相等的狀態。SR 管兩端的電壓可以被抑制。通過上升斜率計算公式，匹配變壓器從一次側到二次側的輸出功率，可以達到自動停機的效果。

1.3 SR管的驅動邏輯選擇

SR 管的邏輯驅動原理與管上電流波形產生的驅動信號相匹配，驅動信號主要由三種邏輯形式產生：相同的滯后臂邏輯、和或邏輯。當SR 管不產生驅動信號時，流過體二極管的電流的導體降壓效果會比普通二極管高，盡量讓電流通過通道而不是體二極管。在對比分析中可以發現，電流控制與使用或邏輯傳輸通道的時間比最高，整體功率損耗最低，適用性最強。

1.4 DC/DC變換器損耗計算

在計算DC/DC 變換器損耗時，有必要從開關導通線路驅動損耗反向恢復的4個方面進行分析和考慮。以等效模型圖為核心進行開通試驗研究，可以發現在MMS 管中加入柵極電壓后，通過充電效應可以達到開通閾值電壓。此時MOS 管導通漏極電流逐漸上升，上升到平臺電壓水平，并開始充電以保持穩定的電壓狀態，直到導通完成。變流器損耗功率的計算主要分為前一級損耗計算和后一級損耗計算。在不同開關方式的差異下，繪制功率損耗表可以發現，系統的總損失率隨著開關頻率的變化而逐漸變化，且呈正相關關系。

1.5 數字峰值電流控制

數字峰值電流控制系統主要是基于DC/DC 變換器進行先進段段控制，以增強模數信號變換器、高精度匹配器和數字模擬變換器之間的匹配。同時結合可編程補償器提供斜率補充，消除了次諧波振蕩的影響。一次電流與參考后的輸出電壓進行比較，插補輸入數字控制。通過數字模擬器的信號比較功能，進一步控制探測儀出波的驅動效果，達到電壓和電流的控制目標。

1.6 仿真結果與實驗驗證

根據上述DC/DC 變換器的工作原理發現SR 管的驅動方式以及邏輯選擇流程在計算損耗量之后進行峰值電流控制系統的處理與應用，主要分析主電路的參與計算方式，在各參數的設定下調整電壓、電流變壓器、諧振電感、濾波、電感等數值，利用這些數值對變換器進行仿真模擬處理，通過數值對比可以發現變壓器兩端電壓基本沒有電壓峰值，再加入箝形二極管后可以有效消除整流管上的電壓峰值，但箝形二極管在一個周期中只能導通一次，控制作用十分有限，所帶來的導電損耗能夠說明仿真設計流程的合理性和科學性。其次，通過比較電壓和電壓波形前后兩端的整流管箝位二極管，它可以分析零電壓軟開關是否可以打開在一定寬度和他們是否滿足額定負輸出條件下額定電壓輸出條件。通過相應的數據調查和實驗，可以發現所設計的星載充電DC/DC 變換器符合仿真結果。在峰值和電流控制的情況下，模擬實際實驗過程中的波形，可以有效地控制一次電壓以及電壓和電流的傳輸，盡可能實現理論與實驗的一致性，提高實驗數據和仿真結果的合理性。最后可以發現，在額定輸入電壓不變的情況下，負載的突然增加和突然減少都會影響輸出電壓和輸入電流波形，從而使整個電壓間隙值具有良好的抗干擾性能和動態性能。結合效率和負載變化不同電壓條件下，它可以發現，改進后的輸出電壓加載在負載電流輸出范圍寬將改變效率的增加，然而，即使負載的增加再次達到一定的負載后，效率變化很小。

2 一種反激式雙輸出DC/DC變換器的設計原則

本產品整機母線電壓為28 V，整機中一些儀器和電路的運行需要5 V 的電壓。本產品的作用是將8 V母線電壓隔離轉換為5 V，供整機儀器和電路使用。該產品采用光耦隔離反饋、正向有源嵌入、同步整流拓撲，通過內部變壓器將8 V 輸入電壓轉換為5 V 輸出電壓。輸出電壓由誤差反饋穩定控制，輸出紋波由濾波電路有效控制。

2.1 研制目標

輸入電壓（范圍）：28 V（18～36 V）；輸出電壓（范圍）：5 V；輸出電流：30 A；輸出功率：150 W；輸入/輸出隔離：隔離；外形尺寸：57.91×36.83×12.7 mm3；工作溫度范圍（TC）：-55～+100 ℃。

2.2 電路設計

2.2.1 設計原則

該產品采用同步整流有源箝位正向DC/DC 拓撲，由輸入濾波電路、功率轉換電路、整流濾波電路、PWM 控制電路、采樣反饋穩壓電路、輔助電源電路和保護電路組成。結合本設計中輸出電壓低、電流大的特點，選擇同步整流有源箝位正向DC/DC 拓撲作為主電路結構。功率轉換電路主要由開關轉換電路和高頻變壓器組成。輸入端能量通過轉換電路傳輸到輸出端，達到電壓轉換和輸出電壓調整的目的。設計采用了同步整流、有源箝位正向DC/DC 變換器電路和平面變壓器結構。整流濾波電路的作用是降低輸出電壓的紋波電壓，從而降低DC/DC 變換器對負載的沖擊。LC 濾波電路是本次設計的輸出濾波電路。反饋穩壓電路檢測開關電源的輸出電壓的變化，比較其與參考電壓，和線性反饋控制電路的誤差信號通過光耦合器，通過控制電路和調整它使電源工作在一個安全的狀態。保護電路主要包括輸入電壓過壓欠壓、輸出電流過流、短路和熱保護。輸出過流、短路采用逐周、關斷保護組合，確保過流精度高、短路工況模塊安全；本電路設計采用SG5025電壓模式PWM 控制器，可提供完成有源嵌入式變換所需的主、輔助開關信號；提供前饋功能、循環短路、過溫關斷、滯回開設計，提高產品安全性；自備內部電源電路，簡化外圍設計；能否很好地滿足設計要求

2.2.2 主變換和同步整流電路的設計

本設計采用正激勵源鉗位，其工作原理是：當主開關管Q1導通時，輸入電壓Vin全部加在變壓器勵磁電感兩端，變換器將能量通過變壓器傳輸給負載，變壓器磁芯正向勵磁，此過程為功率傳輸過程；當主開關管Q1關斷時，勵磁電流對主開關管等效結電容進行充電，當漏極電壓充到大于輸入電壓時，鉗位管Q2的體二極管導通，隨后柵極驅動信號接入，鉗位管Q2導通，給嵌位電容C3充電，而主變壓器初級線圈電壓變成了-VinD/（1-D），反向勵磁，勵磁電流逐步減小直至為零，此時主開關漏極電壓達到最大Vc3=Vin/（1-D），勵磁電流反向繼續對初級進行反向磁化，將勵磁能量和變壓器漏感儲存能量送回電源，變壓器將工作于一、三象限，擴大了變壓器的有效利用，減少體積、銅損、漏感損耗；接著關斷Q2，勵磁電流不能突變，將對Q2結電容充電，對Q1結電容諧振放電，當Q1漏極電壓被諧振到-VD時，體二極管導通，此時接入驅動信號完成主開關零電壓開通，下一個周期開始。從以上簡述工作過程。

2.2.3 關鍵問題的解決

（1）高密度、高集成度問題。產品內部有效空間只有54.9 mm×25 mm×10 mm，將電路圖中所示的所有原始器件集成在一起也是一個非常困難的問題。為此，我們采用多層PCB 設計，下板通過引腳與5 mm厚的鋁基板連接組裝，保證產品良好的散熱。同時，內部組件全部包裝成小尺寸。已準確測量上、下板裝配位置偏差。經過兩次對布局尺寸偏差的修正，確定了PCB 板和鋁基板的加工尺寸和各部件的位置，制定了完善的裝配工藝要求，制作出了產品專用的裝配焊接模具。組裝后的產品指標達到要求，最終解決了產品的高密度和高集成度的問題。

（2）國產化率問題。對國內生產成熟、有一定質量保證的零部件生產廠家進行審核。我們對供應商進行調查和評估，了解供應商提供的產品的質量、周期、資金、售后服務部門的態度和能力。只有經過調查評估符合要求的供應商，才能初步列入合格供應商名單。我們對合格供應商進行定期評估，主要提供零部件合格率、供貨周期、價格合理性等，以確保持續的質量保證能力。對供方提供的零部件進行嚴格的進料檢驗，檢查供方提供的零部件是否符合相應的標準、技術文件的相關要求、規格的正確性、尺寸的符合性等。采購完成后，對供應商提供的產品質量進行跟蹤，并做好跟蹤記錄，并注明使用年份，以便對產品質量有更深入地了解，提供進一步合作的可行性。該電源模塊共有53個元器件來自中國，產品國產化率100%。

3 DC/DC變換器的電流應力和傳輸功率

在實際的計算過程中，相應的電流應力和傳動功率可以根據當前的物理原理，計算然后當前的雙重壓力和傳動功率活躍橋直流/直流轉換器可以計算出不同的操作狀態下，以計算最合適的能力。計算中可以看出，一般情況下，整個電力系統穩態運行時的最大電流表達式為：

另外，在進行計算的時候可以發現在EPS 運行狀態之下的電流表達式為：

通過對計算過程中的各個功率進行探究，可以發現在計算過程中，可以得到不同運行條件下的功率計算結果，得到理想狀態下最合適的電流和功率表達式如下：

一般來說，電壓和電流之間的參考值是在計算時得到的。通過以上計算分析結果可以發現，電壓、電流在不同狀態下的參考值為：

當整個系統處在穩態運行的情況下，可以得出的標準化表達式為：

當整個系統運行處于EPS 運行狀態時，功率和電流的表達式為：

4 DC/DC變流器電流應力最小的優化策略分析

為了得到最有效的優化反激式雙輸出Dc/Dc 變換器最小電流應力的方法，可以利用數學模型進行計算，其中最典型的數學模型是拉格朗日函數。拉格朗日函數是在力學系上只有保守力的作用，則力學系及其運動條件的函數，可以在實際進行最小電流計算的時候具有比較顯著的應用，從而可以計算出各項系數和整個系統運行之間的實際關系，進而可以優化具體應用的效果以及方法。在具體應用的時候，拉格朗日函數的應用表達式為：

當整個電路系統處于EPS 模式時，可以得出電流應力與功率之間的表達式更為復雜。通過對上述數字函數表達式的深入分析可以發現，在輸入輸出電壓匹配的前提下，如果K 值為1，則在任何工作狀態下，電流應力都是相同的。當D1為0時，EPS 系統控制與SPS 系統控制相同。當K 值≥1 時，特別是當整個系統處于輕負荷狀態時，預設的優化方案對電流應力的具體優化效果顯著。在具體的計算過程中可以發現，具體的計算過程是通過對輸入輸出電路之間的電壓采樣來計算K值。將參考電壓U 和U 差值后，通過調節系統得到p值。將p值的判斷代入上述計算公式進行計算，從而得到最優的移位比較組合，進而優化具體應用的效果。

5 結束語

總體而言，在目前國內對反激式雙輸出DC/DC變換器的實驗研究中，采用改進的箝位二極管的全橋DC/DC 變換器可以有效地實現一定寬度內的軟開關，消除二次側調節電流對電壓振動的影響，并采用同步整流技術改善變壓器的功率損耗，與傳統的實驗研究相比，仿真試驗的仿真結果總體負載高于額定負載，系統效率更好。能夠滿足反激式雙輸出的實際使用需求，能夠為整個社會發展帶來更好的經濟效益和社會效益。