一种低交叉调整率的四路输出DC／DC变换器设计

孙 康，孙 烁

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

·微机应用·

一种低交叉调整率的四路输出DC／DC变换器设计

孙 康，孙 烁

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

介绍了一款四路输出DC／DC变换器的设计，并给出了主要技术指标、组成方框图、电路原理图和变压器的绕制方法。该设计在保证纹波噪声、效率、体积和重量等重要指标均满足要求的情况下，仍具有低交叉调整率的突出优点。

DC／DC变换器；四路输出；交叉调整率

1 引 言

由于DC／DC变换器具有输入与输出端电气隔离的特点，因而能够切断由供电母线引起的各种设备之间的交叉干扰，可为各类用电设备提供稳定、干净的供电电源。此外，DC／DC电源变换器还具有高效率、高可靠、低纹波、小体积、系列化、组态灵活的突出优点，因而广泛应用在工业控制、交通、通讯、雷达、导航、航空、宇航等国民经济的各个重要领域中。

在一部典型的电子设备中，通常包括模拟电路、数字电路、存储电路、通讯电路、嵌入式CPU以及外部接口电路等。所需要的供电电源通常包括为模拟电路供电的正负双电源和为数字及CPU等电路供电的数字正电源，此外，为减少外部干扰，还需要一个为外部接口供电且与前三者不共地的接口正电源。如果对电子设备的体积、重量没有严格限制，这一设备可以采用四个DC／DC变换器，其中两个变换器产生正负双电源为模拟电路供电，一个变换器产生单一正电源为数字及CPU等电路供电，再配一只与前三者不共地的变换器为外部接口供电。但是，如果对电子设备的体积和重量都有严格限制，设备总师往往会对电源设计师提出苛刻的要求：用一个DC／DC变换器同时产生四路输出，以便尽可能的压缩电源部分的体积和重量。在这种情况下，如果该变换器设计的不够精细，则四路输出的各个负载电流发生变化时很可能产生交叉干扰，使电源的其他输出发生变化，当这种交叉干扰严重时，往往会造成整个设备不能正常工作。这意味着：虽然DC／DC变换器可以切断供电母线产生的交叉干扰，但其自身多路输出之间又会产生新的交叉干扰。衡量这种同一电源各路输出之间交叉干扰强弱的技术指标是交叉调整率。其定义是：当其他输出为规定的最小负载时，发生变化的输出由其最小负载变为满载时，各输出电压的变化量与各输出满载时电压之比。交叉调整率越小，说明电源各路输出之间相互影响越小，变换器的性能越好。

在科研工作中设计了一款四路输出DC／DC变换器，各路输出的电压和电流能力如表1所示。由于体积和重量的限制，该变换器恰好采用了一个DC／DC变换器同时产生四路输出的电路拓扑结构。即：一次侧包括一个功率和控制电路，一个高频变压器，二次侧为四路电压输出。该设计大大减小了变换器的体积和重量，同时良好的电源电路设计充分保证了使各路输出之间相互交叉干扰的影响降到最低，具备了良好的电气性能和较低的交叉调整率指标。现将该变换器的设计方案和主要电气性能指标介绍给读者。

表1 输出电压、电流和功率

2 电路设计方案和主要电气性能指标

变换器采用反激电路拓扑结构，其组成原理框图如图1所示，主要电气性能指标如表2所示。由图1可知，高频变压器的二次侧共有三组输出，其中第一组输出经整流滤波后产生＋15V电压输出，该电压也是整个反馈控制的基准，由该组电压再经非隔离DC／DC变换器产生＋5V数字电压输出；第二组输出经整流滤波和低压差串稳后，产生－15V电压输出，由于串稳电压差越大，电源效率越低，所以在电源电路研制过程中需要精心设计串稳的低压差能力，电源的串稳在压差低至160mV时仍能保证0.3A负载条件下稳定输出－15V的电压；第三组输出经整流滤波，再经非隔离DC／DC变换器产生外部接口＋5V电压，该组输出的变压器绕组与前两者输出绕组之间具有1000V／1min的绝缘强度，这三个输出绕组与一次侧绕组之间也具有1000V／1min的绝缘强度。

图1 变换器组成原理框图

表2 主要电气性能指标

3 电路设计原理

变换器电路设计原理如图2所示，电路各部分的功能如下。CI1、CI2和LI1组成输入滤波器，用于滤除供电母线带来的干扰，同时阻止变换器自身产生的开关噪声污染供电母线；主控芯片U1采用PI公司的DPA426R［1］，该芯片将变换器主控制芯片与功率MOS开关集成于一身，具有体积小、功能强的特点；R1和R2为U1限定了一次侧最大输入功率，该功能实际上也限定了变换器二次侧的总输出功率，R3限定了U1的工作电压范围；D1和C3组成一次侧辅助电源为U1供电；线性光电耦合器U2将二次侧的反馈控制信号经过C2、R4、E1组成的滤波网络后送入U1，实现对工作脉冲宽度的调节。

图2 电路设计原理图

D2和D3分别是±15V两个二次侧的高速整流器，在之后常规∏型滤波器的基础上，＋15V路通过增加L2和C8增加了一级滤波器，－15V路通过增加L4和C9也增加了一级滤波器，可以使这两路输出电压的纹波噪声进一步下降，如果PCB板布件和布线合理，这两路输出电压纹波噪声可降到约20mVP－P水平。

＋15V输出电压的稳压控制以U3为核心，采用TI公司的LM431［2］，输出电压经R13和R15分压，与U3内部基准电压比较后产生反馈控制信号，经U2送入一次侧，C10和R14用于改善反馈控制的响应速度，C6、R10和C7、R11分别用于改善反馈环路特性，R6、D4、R7、C5组成上电延时电路，使上电延时时间控制在几毫秒至几十毫秒的范围内。

－15V电压是经过以U4、N2和P2为核心组成的串稳电路后输出。－15V电压经R29和R30分压，与U4内部基准电压比较后产生控制电压，该电压通过R21控制N2的基极电流，经N2放大后再控制功率调整管P2的基极电流，从而改变P2管的集电极电压，实现－15V稳压输出；以N1、P1和采样电阻R26为核心组成限流保护电路，当－15V输出出现过流或短路现象时，迅速关断N2和P2，以保护P2不会因超功耗而损坏。C12的作用非常重要，它可以避免该保护电路产生高频振荡，而丧失过流和短路保护能力。

＋5V输出和外＋5V输出分别经过两款非隔离DC／DC变换器产生，其中＋5V输出经U5型号为LM2734－Y［3］产生，外＋5V输出经U6型号为LM2738－Y［4］产生。这两款非隔离DC／DC变换器均具有良好的动态响应性能，均具有输出过流和输出短路保护的功能，输入电压范围很宽，当输入电压在7V～20V大范围变化时仍能保证5V电压的稳定输出，变换效率高于90%；LM2734－Y采用SOT23－6超小型封装，具有1A额定负载电流能力；LM2738－Y采用eMSOP－8或LLP－8小型封装，具有1.5A额定负载电流能力；U5的供电输入端引自＋15V电源输出的两极滤波器之间，以便尽量减少其自身开关噪声对＋15V电源输出的影响；U6的供电由变压器T中一个单独的绕组N5经高速整流和一级∏型滤波器之后产生，该绕组的输出电压未经过闭环控制，随着各输出端负载电流的变化会产生较大的波动。由于U6对供电输入端电压具有宽泛的适应能力，在这种较大波动下依然能够保证外＋5V输出电压的稳定。

4 变压器的绕制方法

变压器的电气原理和管脚定义如图3所示，变压器磁芯选用EFD15型，采用反激工作模式。各绕组输出电压和电流能力如图所示，总输出功率约为22.5W。变压器匝数比为：N1：N2：N3：N4：N5＝19：13：20：22：20，一次侧主输入绕组N1的电感量约为30uH，漏感小于0.8 uH。

该型变压器的绕制原则为：主输入绕组N1分两层绕制，并将三个主输出绕组包夹在这两层之间，即将N1分成内外两层，将N3、N4和N5包夹在内外两个N1层之间。

图3 变压器的电气原理和管脚定义

具体绕制步骤如下：

第一步：在骨架上绕制内N1层19匝，外包绝缘层；

第二步：将N3和N4并排同时绕制，N3层20匝，N4层多绕2匝为22匝，外包绝缘层；

第三步：绕制N5层20匝，外包绝缘层；

第四步：绕制外N1层19匝，外包绝缘层；

第五步：绕制N2层13匝，外包绝缘层。

在上述5步骤中，关键是第二步，一定要将N3和N4同时绕制，以使N4的输出电压相对N3稳定，以确保N3负载量最小，而N4负载量最大时，N4仍有足够高的输出电压，使得－15V输出的串稳电路能够正常工作，同时又不因N4的输出电压过高而降低电源效率。

5 结束语

本设计很好解决了多路输出DC／DC变换器的体积、重量和多路输出交叉影响的矛盾，确保了变换器具有低交叉调整率的同时，仍具有较高的电源效率，可为读者提供有益参考。

［1］DPA426R.Management Team of Power Integrations，Power Controller［DB／OL］.www.powerint.com.

［2］LM431.Management Team of TI，Regulator Control［DB／OL］.www.national.com.

［3］LM2734－Y.Management Team of TI，Non－Isolated Converters［DB／OL］.www.national.com.

［4］LM2738－Y.Management Team of TI，Non－Isolated Converters［DB／OL］.www.national.com.

Design of Converter w ith 4－Rout Output DC／DC Low Cross Regulation

SUN Kang，SUN Shuo
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

The design of converter with 4－rout output DC／DC is described in this paper.Themain technical specifications，the composition diagram，the circuit principle and reel method are given.The design has the excellent advantage of low cross regulation when the conditions of ripple noise，efficiency，volume and weightmeet the requirements.

DC／DC converter；Four output；Cross regulation

10.3969／j.issn.1002－2279.2014.06.020

TP29

：B

：1002－2279（2014）06－0070－04

孙康（1955－），男，沈阳人，高级工程师，主研方向：电子工程项目研制和电子产品的开发。

2014－09－10