H28X型DC/DC变换器的研制

2018-07-10武朝伟张蕊婷

通信电源技术 2018年4期

郭青，武朝伟，张蕊婷

（陕西华经微电子股份有限公司，陕西西安 710065）

0 引言

随着电力电子技术的快速发展，开关电源被广泛应用在计算机、通信、工业加工及航空航天等领域。它具有耗能低、重量轻和使用方便等特点。电子产品对电源技术性能、容量体积比和可靠性要求愈来愈高，管芯化模块电源愈来愈显示出其优越的性能。它可靠性高、体积较小、工作温度范围较宽，便于组合安装，故被广泛使用。H28X型DC/DC变换器典型输入电压28 V，输出电压12 V，输出最大电流4.2 A，研制过程中解决了电源效率、输入纹波电流滤波和短路电流的技术难题。

1 设计

1.1 设计依据

该DC/DC变换器电路按照GJB2438A标准进行设计、研制。

1.2 设计方案及电路原理

设计方案采用光电隔离，单端正激模式，简单易做，能够满足各方面要求。

基于各个方面的综合考虑，最终确定了电路原理图，如图1所示[1]。

其中，IC1为UCC1800，IC2为GH402K，IC4为TL431，Q1为IRF540，D5、D6采用肖特基整流二极管20CTQ100，变压器、电感采用RM6和RM5磁罐。

2 研制过程

2.1 电路参数的选取

图1 电路原理图

根据以上确定方案，对电特性参数进行选取、定位，主要依据的是理论计算数据和实际摸底试验数据。本电路核心器件IC1为高性能低功耗，电流模式PWM控制器。

IC1的特点如下：典型起始电流小，为100 μA；最高工作频率为1 MHz；振荡频率准确；窄脉冲干扰抑制；大电流腾柱式输出；高带宽误差放大器；低电压输出限制；出错时内置快速锁定；输入到输出70 μs快速反应时间；内置软启动。

H28X型DC/DC变换器最终采用电流型PWM控制器UCC1800（TI公司生产）。该PWM控制器具有高速率和低损耗的特点。UCC1800内部集成了固定频率电流模式控制的离线式与DC/DC变化器所需的控制和驱动电路，主要用于电流型单端DC/DC变换器的控制。它的内部采用全周期软启动及前沿电压尖峰消隐技术，精度较高，电压稳定性好，外围电路比较简单。相比电压型PWM，电流型PWM拥有更好的电源、负载调整度，使系统具有更高的稳定性和动态特性[2]。

UCC1800的参数为：工作电压为7.2～13.5 V；最大工作频率1 MHz；工作最大占空比为100%；具有内部软启动、欠压锁定功能；输出电流最大1 A；工作温度-55～+125 ℃。

1脚补偿：这个管脚是误差放大器输出端，用于回路补偿，信号直接输入，内部集成了软启动电路。

2脚电压反馈：这是误差放大器的反相输入端，该误差放大器的带宽约为2 MHz。

3脚电流检测：与电感电流成正比的电压，被连接到该输入端。PWM使用这个电流数据决定输出开关是否导通。

4脚RT/CT：频率端，振荡频率和最大输出占空比与Vref相连的电阻RT和与地相连的电容器CT控制，可达到500 kHz。

5脚：接地端。

6脚输出：输出端直接驱动功率场效应管的栅极，由该脚变换的峰值电流可得1.0 A。

7脚Vcc：这个管脚是集成电路的正电源。因采用CMOS结构，输入电压最高被限制在13.5 V，启动电压为7.3 V，关闭电压为7 V。

8脚Vref：这是基准电压输出端，它经电阻RT为电容器CT提供充电电流。

在选择光电耦合器的过程中，需要注意：选择具有较快的上升响应速度、较强的抗干扰性、较高可靠性的耦合器。本文研究的光电耦合器结构类型属于微型陶瓷，适用于表面贴装技术。

选择电压控制器的过程中，需要注意：电压的最大值为35 V，最小值为3 V，参考电压受温度的影响较小，对电流的驱动作用较强，阻抗较小，能够在全温度的基础上适用，且温度系数不超过50 ppm/℃，输出时产生的噪声较小。

MOSFET/IRF540的特点：工作电压高，为100 V；工作电流大，为33 A；导通电阻小，即RON=0.044 Ω。

肖特基整流二极管20CTQ100的特点：反向工作电压高，为100 V；工作电流大，为20 A；正向导通电压降阻小。

磁性材料选择的是输出功率大的RM6和RM5磁罐，因为罐型磁材具有较好的屏蔽性。

基片选取96%三氧化二铝陶瓷基片。

陶瓷电容选取X厂生产的，片钽电容器选取X厂生产的。

2.2 工艺参数的确定

电阻印刷、金丝球焊和高温烘焙为关键工艺点，激光调阻、成膜测试为质控点，因为激光调阻要求关键电阻精度为±0.5%，金丝球焊直接关系到产品的可靠性，高温烘焙直接影响电路的内部水汽含量，因此，要求严格的工艺控制。成膜测试和成品检测关系到产品的技术指标和产品质量是否合格是质量控制的关键，所以在此处设置质控点。

3 技术指标、技术难点及解决措施

3.1 技术指标

（1）外形尺寸：70 mm×35 mm×11 mm；（2）工作温度范围：-55～+125 ℃；（3）输入电压：28 V±0.5 V；（4）输出：+12 V±0.25 V/4.2 A；（5）纹波：Vpp≤50 mV；（6）电压调整率：≤1%；（7）负载调整率：≤1%；（8）效率：Vη≥80%

该产品需解决的技术问题如下：（1）线路之间的相互干扰问题；（2）产品布局热设计问题；（3）产品的小型化；（4）产品的自保护电路设计问题；（5）电磁兼容问题；（6）振动问题；（7）产品重量减轻的问题；（8）产品的高可靠性设计问题[3]。

3.2 技术难点及解决措施

3.2.1 电源功率和效率问题

该产品输出功率大，组装密度高，如果效率不能达标，产品的可靠性和实用性将无法保证，这是最大的问题。

为了提高电源效率，进行了以下攻关。首先，合理选用磁材。在壳体空间允许的情况下，变压器尽可能选取高频、大功率磁材，形状要符合壳体空间特点。其次，优化控制环路的参数。利用网络分析系统，结合大量实际试验，优化电路控制环路参数。选取大电流、低导通电压的肖特基二极管，减小正向的导通损耗；选取合适的MOS管，减小功率器件的损耗。既要发挥功率驱动管的最佳运行状态，又要进行尖峰抑制，消除欠驱动和过驱动。

通过大量反复试验，最终功率问题、大范围温度适应问题以及诸多芯片化工艺问题，彻底摆脱了项目研制困境。

3.2.2 输入纹波电流的滤波问题

由于功率大且密度高，产品的输入反射纹波都比较大。根据用户实际需要，要求在有效抑制输入纹波电流的同时，不能影响产品工作的稳定性和可靠性，还不能影响产品输出功率和自身功耗，这是研制输入滤波器的一个难点。

对应措施：在电源的输入端设计专用输入滤波器。

经过多次论证和数次实验，最终使该滤波器达到了以下要求：

（1）具有足够大的纹波抑制比，大幅降低了输入纹波电流；

（2）具有足够宽的频率范围，抑制了电源本振及其各次谐波频率的纹波；

（3）低差损特性，不影响产品自身功耗；

（4）大电流，必须满足电源的最大输入电流的2～4倍。

3.2.3 保护电路的问题

变换器过流保护电路设计为限流、截流结合型。设置比较电压工作点、取样分压电阻与电流互感器，属于重点内容。

电流互感器的主要功能是使功率管中的电流向电压信号转变。在整流滤波的作用下，输入IC1的3脚和比较器的1脚，以此调整脉冲的宽度。在大于标准功率的情况下，实现对电源的保护。另外，应注意，由于电流互感器最初的匝数较少，因此内阻数值较小。

调制器IC1的3脚电压最小值为0.7 V，最大值为1 V，若电流中的取样电压具有较大的数值波动，将会直接影响脉宽调制器。因此，取样完毕后，电压应经过整流滤波处理，将其分压后再设IC1的3脚电压工作点，从而通过上述两点对电路实施过流保护。IC1的8脚属于5 V基准电源，在分压电阻的处理下，将有效降低电压值，为3脚工作提供便利。当电源负载较小时，3脚电压数值可以设置到0.5 V左右；当电源负载较大时，取样分压电压将提升3脚电压，以达到保护点，对电路进行保护。

4 产品的特点和创新点

产品具有体积小、绝缘度高、重量轻和可靠性高等特点。独特的输入滤波器设计是该电源的创新点。该电路采用先进的厚膜混合集成电路工艺，质量性能稳定，电路成熟可靠，线路和结构设计科学合理，具有国内先进水平[4]。

5 产品应用情况

该产品具有体积小、重量轻、输出功率大、输入电流纹波、输出电压纹波小、可靠性高、全金属屏蔽封壳和整机调试使用方便等特点，且可以批量生产，用户试用情况良好。同时，该产品具有通用性，具有广阔的应用前景。设计方案采用光电隔离，单端正激模式，简单易做，能够满足各方面要求。热设计方面，在提高产品散热效率的前提下，通过版图优化设计，增强功率管的直接热传导能力，扩大产品的有效散热面积，均匀分布功率发热元器件。同时，要考虑元器件发热对产品带来的老化作用，从而保证产品的可靠性和使用寿命。