DC／DC电源模块功率老炼试验过程中的能量回收

高 峰，刘建生

（天水华天749电子有限公司，甘肃 天水 741000）

1 引言

目前随着开关电源技术的日益成熟，DC/DC电源模块被广泛应用于工业及控制、通讯、国防等各个领域；而对于不同领域的DC/DC电源模块用户而言，他们对于DC/DC电源模块质量可靠性的要求也在不断提高。因此，生产厂家在DC/DC电源模块生产过程中需要根据用户的要求对DC/DC电源模块进行一系列的质量可靠性试验，其中功率老炼试验就是用来剔除早期失效产品的可靠性试验之一。

2 基本原理

在DC/DC电源模块功率老炼试验的过程中，通常需要在特定的环境和输入电压条件下，对DC/DC电源模块在规定时间内施加额定输出功率的负载进行质量可靠性的试验。如图1所示为典型的功率老炼试验线路。

图1 典型的功率老化寿命试验线路

在图1中，VS为直流电源、Vi为输入电压、Ii为输入电流、Vo为输出电压、Io为输出电流、RL为功率负载（纯电阻负载或电子负载）、DC/DC电源模块的输入功率 Pi＝Vi×Ii、输出功率 Po＝Vo×Io。

在DC/DC电源模块实际的功率老炼试验的过程中，由于功率负载RL无论是纯电阻负载还是电子负载，它都是要将DC/DC电源模块输出的功率Po，通过功率负载RL转化为热量的方式即W＝Po×t＝I2o×RL×t来完成对 DC/DC 电源模块功率老炼试验的过程，而这一过程中由功率负载RL所产生的热量往往是通过空气散热的方式排放到空气中。因此在DC/DC电源模块功率老炼试验的过程中，如果这部分热量不加以回收利用就会造成能量的白白浪费，那么如何来减小这部分能量的浪费呢？下面简要说明如何将DC/DC电源模块输出的功率Po进行能量的转化并加以回收利用的基本原理。如图2所示为能量转换电路原理。

图2 能量转换电路原理

从图2可以看出，这时DC/DC电源模块输出的功率Po不再通过功率负载RL转化为热量，而是采用转换电路将DC/DC电源模块输出的功率Po转化到DC/DC电源模块的输入端。

现在以输出功率Po＝20W、工作效率η＝80%的DC/DC电源模块举例说明，如果该电源模块采用图2所示的功率老炼试验线路，假设DC/DC电源模块的输出功率Po能够通过转换电路进行100%的能量转化并输出到DC/DC电源模块的输入端，那么就可以得出直流电源Vs实际输出功率下降为Pi－Po＝Po／η－Po＝25W－20W＝5W。从上式可以看出，由于此时DC/DC电源模块输出的功率Po通过转换电路100%地输出到DC/DC电源模块输入端，因此直流电源Vs所提供的功率仅为DC/DC电源模块内部损耗功率即Pi－Po。因此通过对图2所示转换电路原理的分析，可以通过能量转换的方式实现DC/DC电源模块在功率老炼试验过程中的能量回收及循环利用，从而达到了产品在生产过程中的节能降耗和提高能效的目的。

3 电路结构

根据上述能量转换电路的原理，能量转换电路结构应具有对DC/DC电源模块输出功率进行控制和能量转化的基本性能。而对于大多数DC/DC电源模块而言，由于它们的输出电压Vo基本都是保持恒定的，因此可以将能量转换电路等效成为一种电流受控的恒功率源控制电路。下面以小功率的DC/DC电源模块说明能量转换电路的基本结构形式。

（1）对于小功率的非隔离型DC/DC电源模块，其能量转换电路可以根据DC/DC电源模块输入、输出电压条件的不同采用Buck型或Boost型电源变换器作为转换电路的主要结构形式，如图3、4所示。

图3 Buck型转换电路

图4 Boost型转换电路

（2）对于小功率的隔离型DC/DC电源模块，其能量转换电路可以采用多种形式的线路结构，下面以正激式和反激式电源变换器作为转换电路的主要结构形式，如图5、6所示。

图5 正激式转换电路

图6 反激式转换电路

以上举例的4种转换电路结构形式，虽然在线路结构上有所差别，但是其工作原理基本一致，都是通过电阻元件Rs及控制电路对DC/DC电源模块的输出电流Io进行采样、比较来控制开关元件T1的脉冲宽度，从而达到稳定DC/DC电源模块输出电流Io大小的目的；同时通过转换电路中的开关元件T1、储能元件L、C将DC/DC电源模块输出的功率Po进行能量转化并稳定地输出到DC/DC电源模块的输入端。

4 应用举例

下面以输出功率Po＝100W、输入电压Vi＝24V、输出电压Vo＝15V的隔离型DC/DC电源模块为例，简要说明能量转换电路的设计思路及主要环节。

4.1 设计思路

对于输出功率为100W的隔离型DC/DC电源模块而言，其能量转换电路在设计时主要从以下两个方面进行考虑。

（1）结构设计

转换电路结构的设计主要是根据DC/DC电源模块输出Po功率的大小、输入电压Vi/输出电压Vo的比值以及是否需要电气隔离等综合因素来确定选择合适的线路结构。在本例中，由于考虑到DC/DC电源模块输出功率Po较大且有电气隔离的要求，因此在转换电路结构设计时选用推挽式变换器作为转换电路的主要结构形式，具体的转换电路结构如图7所示。

（2）元器件参数的选择

在元器件参数选择方面，需要选择合适的控制电路芯片和符合电路使用要求的元器件参数。在本例中，首先根据确定的转换电路结构选用具有双端互补输出结构的PWM型控制电路芯片SG3525；其次需要根据转电路对开关管、整流管、高频变压器及储能电感等元件的电压、电流、频率等参数的要求进行合理的参数选择和冗余设计，尤其对于高频变压器、储能电感等元件的磁性参数设计需要进行必要的试验验证。

4.2 主要环节

（1）电流控制

电流控制部分由电流取样电阻R8、脉宽调制电路 SG3525内部电压比较器（V＋、V－、COMP）及RW1、R7、C4等元件构成它是通过电阻R8、内部电压比较器对DC/DC电源模块输出电流Io进行电压采样及信号放大，并与脉宽调制电路内部三角波比较器及驱动电路构成脉宽型电流控制回路，用以调节开关管驱动脉冲宽度来控制DC/DC电源模块输出电流Io的大小。

（2）能量转化

图7 100W转换电路结构示意图

能量转化部分由开关管T1、T2，高频变压器Tr等元件构成；它是利用开关管T1、T2对流经高频变压器Tr初级的电压、电流I进行高频开关变换，使通过高频变压器Tr初级的功率能够高效地耦合到高频变压器Tr的次级回路。

（3）功率输出

功率输出部分由整流二极管D1、D2，滤波电感L2及电容C5、功率三极管T2等元件构成；它是通过整流二极管D1、D2对高频变压器Tr次级输出的交流方波进行整流、滤波并通过功率三极管T2向DC/DC电源模块输入端进行能量的传输。

在上述转换电路的实际工作过程中，DC/DC电源模块启动时所需输入功率Pi由直流电源VS全部提供，而在DC/DC电源模块启动过程完成后所需输入功率Pi则由转换电路和直流电源VS共同提供。另外需要说明的是，由于任何形式的能量转换电路在实际使用时并不能将所有能量进行100%的转化输出，因此转换电路工作时所提供的实际功率要比理想状态下小一些。

5 结束语

以上能量转换电路在DC/DC电源模块功率老炼试验的过程中不仅可以有效减少能量的浪费，而且能够提高能效的循环利用水平，这对于企业内部促进节能降耗工作具有现实意义；同时，由于上述转换电路本身会在能量转化部分产生高频干扰噪声，因此对于DC/DC电源模块能量转换电路结构设计时必须考虑电磁兼容性方面的设计优化，用以满足不同类型的DC/DC电源模块在功率老炼试验过程中的电磁抗干扰要求。另外，对于其它一些输出功率较小或对功率负载有特殊要求的DC／DC电源模块则不适合应用以上能量转换电路进行功率老炼的试验过程。

［1］张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计［M］.北京：电子工业出版社.