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1、 高可靠DC-DC變換器的設(shè)計(jì)概述高性能DC-DC變換器要求具有高功率密度,大電流通路,寬泛的工作溫度范圍等特點(diǎn)。近年來(lái)隨著航空航天領(lǐng)域的拓展,對(duì)高性能DC-DC變換器的需求日益大增,而對(duì)采用厚膜混合集成功率電路工藝制造的高可靠105的DC-DC變換器的需求更為突出。采用厚膜工藝配套。利用淺腔式金屬外殼,平行縫焊封裝,提高了氣密性(漏氣率達(dá)10E-8atmcm3s數(shù)量級(jí)),增強(qiáng)了電路內(nèi)部保護(hù)功能,有利于混合電路的長(zhǎng)期可靠性,克服錫焊使用助焊劑造成電路松概述高性能DC-DC變換器要求具有高功率密度,大電流通路,寬泛的工作溫度范圍等特點(diǎn)。近年來(lái)隨著航空
2、航天領(lǐng)域的拓展,對(duì)高性能DC-DC變換器的需求日益大增,而對(duì)采用厚膜混合集成功率電路工藝制造的高可靠105的DC-DC變換器的需求更為突出。采用厚膜工藝配套。利用淺腔式金屬外殼,平行縫焊封裝,提高了氣密性(漏氣率達(dá)10E-8atmcm3s數(shù)量級(jí)),增強(qiáng)了電路內(nèi)部保護(hù)功能,有利于混合電路的長(zhǎng)期可靠性,克服錫焊使用助焊劑造成電路松香污染的缺陷。外殼采用10號(hào)冷軋鋼,熱膨脹系數(shù)接近7 ppm,有助于散熱。2 應(yīng)用設(shè)計(jì)應(yīng)用PWM開(kāi)關(guān)型控制器設(shè)計(jì)高頻DC-DC變換器,本設(shè)計(jì)通過(guò)減小延遲時(shí)間,增加一些附屬功能大大增強(qiáng)高頻功率變換器的應(yīng)用。通過(guò)增大轉(zhuǎn)換頻率,能夠減小儲(chǔ)能元件的尺寸,使用陶瓷電容增加穩(wěn)定性,降
3、低系統(tǒng)消耗,簡(jiǎn)化了分布電源結(jié)構(gòu)。2.1選擇變換器的工作方式對(duì)于Si9114,變換器的最佳工作方式是回掃式(反激式)和正激式?;貟呤阶儞Q器中所有線圈并聯(lián)。當(dāng)一個(gè)線圈短路,其他線圈也短路,輔助電源繞組也隨之短路,無(wú)法向控制電路提供電源,使得輸出電壓不穩(wěn)定。而正激式變換器的輔助電源繞組正向?qū)?,輸出繞組短路時(shí),脈寬降到最窄,依然能夠向控制電路提供足夠的電源。故選用正激式變換器進(jìn)行設(shè)計(jì)。2.2 PWM控制電路Si9114作為電流型脈沖調(diào)制式(PWM)控制器,具有以下特點(diǎn):開(kāi)關(guān)頻率高達(dá)1 MHz。由于開(kāi)關(guān)頻率高,儲(chǔ)能元件尺寸小,全部采用貼片式,尺寸小,重量輕,系統(tǒng)成本低;內(nèi)部集成有功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電
4、路和高壓?jiǎn)?dòng)電路,采用DMOS晶體管,允許內(nèi)部集成200 V的高壓直流相連,省去二次穩(wěn)壓;軟啟動(dòng)電路可使功率元件在系統(tǒng)上電時(shí)受到小的沖擊,提高系統(tǒng)的可靠性;提供同步輸出引線,可使變換器之間同步或與外部某一時(shí)鐘同步,簡(jiǎn)化了EMI濾波,易于實(shí)現(xiàn)DC變換器的并聯(lián); 具有邏輯控制的關(guān)閉電路及欠壓關(guān)斷電路;耐壓200 V,導(dǎo)通電阻1 ,SO-8封裝,適用于10 W30 W的開(kāi)關(guān)電源。Si9114的引腳1為高壓預(yù)調(diào)制器:由于DC母線電壓與VCC電壓存在很大差距,需要一個(gè)啟動(dòng)電路。Si9114采用低功耗、BICDMOS電路制造技術(shù)和高電壓耗盡型MOSFET解決了啟動(dòng)問(wèn)題。當(dāng)電壓上電時(shí),場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通,電流從輸
5、入電容CIN流入VCC電容CVCC直到VCC到達(dá)9.2 V,變換器通過(guò)一個(gè)輔助電源繞組供給VCC時(shí),當(dāng)VCC高于9.2 V,關(guān)閉高壓耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管,理想電壓為11 V13 V。圖1所示為PWM控制電路的啟動(dòng)電路。</TD>引腳2為關(guān)閉端。關(guān)閉端用于快速關(guān)閉輸出脈沖,由該引腳到輸出端典型的延遲為300ns。該延遲時(shí)間完全可由引腳2實(shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)功能。引腳3為基準(zhǔn)電源?;鶞?zhǔn)電壓4.0 V,提供5 mA的電流。為防止不穩(wěn)定和紋波,須對(duì)基準(zhǔn)電源加退耦電路,建議采用100nF的陶瓷電容。引腳4、引腳5、引腳6組成誤差放大器。誤差放大器由PMOS輸人對(duì)稱級(jí)連增益放大級(jí)和-AB類增益放大器構(gòu)成。典
6、型的開(kāi)環(huán)電壓增益為77 dB,單位增益帶寬為2.7 MHz。誤差放大器的同相端接在由2只1 k電阻組成的分壓器,其電壓為2 V(VREF=4 V),C2為旁路電容。誤差放大器的反饋電壓5 V輸出端經(jīng)光電耦合器及TL431組成的電路隔離,輸入至FB端。引腳7為軟啟動(dòng)。軟啟動(dòng)電路有助于變換器以正常方式啟動(dòng)并減小元件壓力。啟動(dòng)時(shí),由于輸入電容而引起的初始啟動(dòng)電流,變換器試圖將輸出電壓納入調(diào)制范圍時(shí),工作于最大占空比周期時(shí)產(chǎn)生峰值電流,當(dāng)遇到大輸出電容和峰值電流時(shí),可能發(fā)生振蕩。可用延遲軟肩動(dòng)時(shí)間避免發(fā)生此類問(wèn)題。引腳8和引腳9為振蕩器。振蕩器的振蕩頻率取決于外接元件RT和GT(參見(jiàn)圖3)。內(nèi)部二分頻
7、電路可防止占空比大于50,避免變壓器磁芯飽和。通過(guò)改變VCC注入RT的電流,改變變換器的工作頻率。依據(jù)Si9114的數(shù)據(jù)資料,RT應(yīng)選取為68 k1 000 k,CT應(yīng)選取47 pF200 pF。引腳10為同步端。同步輸入端主時(shí)鐘與其連接,這樣頻率和相位都與主時(shí)鐘同步,從而避免由于不同步的差拍效應(yīng)而產(chǎn)生的噪聲電平干擾,使得DC變換器的并聯(lián)應(yīng)用易于實(shí)現(xiàn)。引腳11為輸入地。引腳12為輸出驅(qū)動(dòng)。輸出驅(qū)動(dòng)采用N溝道和P溝道互補(bǔ)型輸出級(jí),其輸出電流為400 mA,灌入電流為700 mA。引腳13為電流檢測(cè)。電流檢測(cè)比較器通過(guò)比較誤差放大器的輸出與輸出電感中的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)電流模式控制。由于整流器的反向恢復(fù),
8、次級(jí)線圈的等效容性負(fù)載以及感性電路的影響,被測(cè)電流波形前沿常有毛刺及噪聲電平,通過(guò)RC網(wǎng)絡(luò)低通濾波器可抑制前沿毛刺,使得整個(gè)波形不產(chǎn)生畸變。圖2(a)為輸入波形,(b)為低通濾波器網(wǎng)絡(luò),(c)為正確而需要的輸出波形。引腳14為Si9114的電源端。VCC電壓范圍為9.5 V16.5 V。最大絕對(duì)值為18 V。在實(shí)際應(yīng)用中,高溫時(shí)電壓下移2.0 V;低溫時(shí)上移3.0 V,該電壓一般在10.8 V12.5 V。為了保證VCC電壓穩(wěn)定,交流干擾小,一般選1F10F的退耦電容。2.3確定開(kāi)關(guān)頻率在PWM控制電路中,根據(jù)電路的短路特性確定開(kāi)關(guān)頻率。輸出短路時(shí),為維持恒流工作方式,控制電路應(yīng)盡可能的減小占
9、空比。理想狀態(tài)時(shí),在規(guī)定的電壓調(diào)整率范圍內(nèi)應(yīng)能輸出105的額定電流;短路時(shí),則輸出115的額定電流。若占空比太小,會(huì)產(chǎn)生輸出電流的拖尾現(xiàn)象,這就需要使用大功率的整流元件避免在過(guò)載時(shí)產(chǎn)生毀滅性電流?;谝陨显颍紤]到厚膜電路的布局、變壓器、磁芯、功率器件及效率等因素,設(shè)置變換器的工作頻率為250kHz。2.4元件的選擇元件的選取耐壓電壓是實(shí)際電壓的1.02倍,正向電流的1.52倍。場(chǎng)效應(yīng)管選用IR公司的IRF7495(S0-8),其主要參數(shù)為:VDSS=100 V,RDS(ON)=22m,VGS=10 V,ID=7.3 A,COSS=160 pF980 pF(一般取240pF);整流二極管選用
10、IR公司的12CWQ04FN (D-PAK T0-252AA),其主要參數(shù):IF=12 A,VR=40 V,VF=0.48 V,CT=405 pF。肖特基二極管都有寄生電容,并對(duì)這些電容充放電。采用大容量的整流元件可降低變換器效率。 2.5變壓器的設(shè)計(jì)變換器采用諧振復(fù)位正激式變換器,一般正激式電路中,變壓器多采用磁復(fù)位線圈或箝位電路。諧振復(fù)位由MOS管的寄生電容和變壓器的磁化電感決定。也需考慮輸出二極管的電容。如圖3所示,變壓器的磁化電感對(duì)變壓器形成了并聯(lián)調(diào)制電路,其諧振頻率是由寄生元件決定,復(fù)位時(shí)間要盡可能短,要對(duì)鐵心完全復(fù)位,直到下一個(gè)開(kāi)關(guān)脈沖到來(lái)。復(fù)位時(shí)間取決于場(chǎng)效應(yīng)管和整流二極管的選擇
11、。圖4所示是5 V3 A時(shí)MOS管的漏極波形,從圖中可知:漏感小,磁復(fù)位處理效果良好。變壓器的磁芯選用TDK公司PC40,其主要參數(shù)為:高導(dǎo)磁率,居里溫度大于215,飽和磁通密度在電路設(shè)計(jì)中,一般取BS=1 600 GAS(高斯)。工作頻率為250 kHz,最大占空比為0.370.45,本應(yīng)用設(shè)計(jì)選用0.42。初級(jí)電感量為130 H160 H,10匝,漏感要求小于1H。計(jì)算變壓器次級(jí)線圈的匝數(shù),輸出5 V,確認(rèn)與輸出電壓相串聯(lián)的損耗,包括:濾波電感、變壓器直流損耗、整流器正向壓降等。根據(jù)骨架的窗口尺寸、電流密度的要求,變壓器的參數(shù)設(shè)為初級(jí)為10匝,次級(jí)為9匝。采用并聯(lián)層繞方式以減少漏感。2.6輸出電感從電路理論得知:VL=Ldidt,VL=Ein-Eoutdi=IL(IL取0.10.25 Iout),L=(Ein-Eout)tIL正激式變換器在最大轉(zhuǎn)換周期時(shí)Ein=2Eout,Toff=0.5T,所以:L=EoutToffIL=5 V×2s(0.2×5 A)=10H。根據(jù)電感量、電流密度要求。磁芯選用TDK公司PC40P117,骨架BP117-612,繞組為10匝,電感量為10 H。2.7布局考慮主電流回路流經(jīng)輸入電容,變壓器,MOS管,電流采樣電阻,再流回輸入電容。為了避免噪聲注入其他電路,
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