一種DC/DC并聯大功率電源設計及實現

曹晨　張建飛

關鍵詞：氣象雷達；大功率電源；開關電源；低壓輸入電源；并聯應用

中圖分類號：TN86 文獻標識碼：A

0 引言

氣象雷達是專門用于大氣探測的雷達，常用于警戒、預報和小尺度天氣系統中[1]。目前，我國在氣象雷達的設計與研究上取得了較大進步，應用最新的計算機、通信和圖像處理技術，使得雷達的數據處理和顯示分析系統功能愈加強大，并且可以完成雷達回波的顯示及雷達控制等多種功能[2]。

本文基于某項目氣象雷達的要求，設計了一款能夠實現低壓輸入的大功率電源。由于信號頻率變高，可以減小變壓器內的鐵心[3]，故該電源采用開關電源技術，開關電源的優點是高效率和高功率密度輸出。由于一個DC/DC（直流轉直流）變換器的功率不能滿足要求，因此通過并聯DC/DC 變換器的方式實現大功率輸出。

1 VICOR DC/DC變換器

DC/DC 變換器是現代高頻開關電源的基本組成部分[4]。美國VICOR 公司是國際知名的電源變換器（也稱“電源模塊”）生產廠家，是目前世界最大的高密度電源模塊生產商之一。主要有3 代模塊產品在市場上銷售：一代模塊產品最大功率為200 W；二代模塊產品最大功率為700 W；三代產品為晶片產品，功率密度極高。本項目采用VICOR 二代模塊并聯的方式，可以滿足小體積、大功率的要求。

模塊選擇半磚24 V 輸入系列，該系列具有以下特點[5]：①直流電輸入范圍為18 ～ 36 V；②輸出隔離；③啟動電壓為16 V；④輸入浪涌可承受沖擊為50 V、100 ms；⑤輸出電壓為3.3 ～ 48 V 直流電；⑥輸出電壓可調范圍為10% ～ 110%；⑦負載調整率為±0.5%（空載到滿載）；⑧最大效率可達89%；⑨最大工作溫度為100℃（滿載）；⑩支持N+M 并聯；使用ZCS/ZVS（零電流開關/ 零電壓開關）技術。

2 電源設計原理

根據VICOR 模塊以及本項目需求，最終電源設計原理如圖2 所示。圖中，AW1、AW2、AW3為3 個VICOR 模塊；+In 和-In 分別為模塊輸入正負引腳；+Out 和-Out 分別為模塊輸出正負引腳；PC（primary control）為控制引腳（控制模塊導通關斷）；PR（parallel）為并聯引腳（模塊需并聯時應用）；+S 和-S（Sense）為補償引腳（補償輸出，分別與+Out、-Out 相連）；SC（secondary control）為調壓引腳（調節輸出電壓值）；CAP（capacitor）為電容；DIODE 為二極管。

該電源采用3 塊模塊并聯的方式，由單獨模塊200 W 的輸出功率實現電源600 W 的輸出功率，以滿足項目550 W 輸出功率的要求。

并聯引腳需要接電容和電阻，電容C2、C12、C22 的容值均為0.001 μF，電阻阻值需要根據并聯模塊數量來定，如表1 所示。

由于本次為3 塊模塊并聯應用，故電阻R1、R8、R9 的阻值均為50 Ω。

輸出并聯后需要調壓，選一個模塊接調壓電阻即可。本項目采用電位器調節電壓，輸出可變；也可將電位器換成固定電阻，適合固定輸出且批量生產的情況。

3 PCB設計原理

由于體積有限，電源外形尺寸為315 mm×75 mm×33.5 mm，適合安裝在狹長的空間中。電源模塊并聯應用時，最佳PCB（印制電路板）布局是各個模塊的輸入輸出走線等長，如圖3 所示。但本項目由于電源外形結構條件限制，電源PCB 布局如圖4 所示，3 塊DC/DC 模塊順次相接，模塊輸入電流逐級遞減，模塊輸出電流逐級增加。由于電源功率較大，輸入電流最大約為38 A，輸出電流最大約為75 A，且越靠近輸出端電流越大，此布局需要增加印制線的面積，同時擴流。

4 結果與討論

由于該項目電源結構尺寸以及安裝方式已經確定，最終電源成品如圖5 所示。左側的接線端為電源輸出的接線端，右側的接線端為電源輸入線和控制信號的接線端。由于輸出電流較大，采用4 個端子并聯為輸出電流正，另外4 個端子并聯為輸出電流負。電源上下兩排共8 個孔，為電源的安裝孔。

將成品電源放于測試工裝上，電源輸入端接直流穩壓儀表電源，輸出端接滑線變阻器，開機預熱1 min 后在常溫下進行性能指標測試。指標測量結果如表2 所示。

由此可以看出，實測指標均可以滿足要求。電源內部模塊并聯雖然不是最佳擺放位置，但是通過優化PCB 設計，依然可以保證性能指標，電源設計合理可行。

5 結論

本項目電源由于功率大且體積尺寸受到限制，使得電源原理設計與PCB 布局存在一定的難度，通過PCB 合理走線，使得并聯應用得以實現。最終本電源在輸入范圍為直流18 ～ 36 V 的情況下，可以提供輸出電壓8 V、輸出電流最大75 A，且受到TTL 電平控制，控制邏輯：當控制信號為TTL高電平時，電源有輸出；當控制信號為TTL 低電平時，電源無輸出。電源在常溫下的測試指標完全滿足該項目氣象雷達T/R 電源的需要，同時也對電源工作溫度在-40 ～ 80℃ 進行設計保證。電源已通過整機測試驗證，滿足批量生產的條件。