一款可替代XX系列30 W电源的DC／DC变换电路

2018-09-23孟小娟

通信电源技术 2018年7期

孟小娟，何超，孙晨

（陕西华经微电子股份有限公司微电路事业部，陕西西安710065）

1 概述

近年来，航空航天领域日益拓展，对高性能、小体积、大功率密度的DC／DC变换器的需求逐渐提高，而对采用厚膜混合集成电路工艺制造的高密度、高可靠的DC／DC变换器的需求更为突出。XX系列电源产品性能优良，可靠性高，适用范围广，在国内广泛应用。但用户在使用中发现该系列产品功率密度小，同等功率产品体积较大，而且成本高，采购困难，尤其军用产品被封锁，H、K级明确禁运。根据这一市场供需，陕西华经微电子股份有限公司自主立项研发了小体积新型DC／DC变换器模块，以打破封锁，保障供应。该模块在体积上比XX系列同功率模块小，在性能指标上优于XX系列同功率模块。

2 研制目标

主要技术指标如下：

（1）输入电压（范围）：28 V（18 V～40 V）；

（2）输出电压（范围）：5 V（4.9 V～5.1 V）；

（3）输出电流：5 A；

（4）输出功率：25 W；

（5）输入／输出隔离：隔离；

（6）外壳外形：JF；

（7）其余要求能实现部分动态指标。

产品的外壳尺寸：37.08×28.70×10.16 mm3。采用通用标准的双列直插式平行缝焊壳体UPP3728－08。

3 设计原理与技术难点、关键问题的解决

3.1 工艺设计

根据XX系列电源MTR2805S的主要技术性能指标和原来的成熟工艺以及电源设计的经验，经过周密思考及查阅大量有关资料，结合电路原理以及体积的要求，最终确定采用厚膜印刷、裸芯片组装工艺的设计方案。

3.2 结构设计

根据密封要求，选取平行缝焊结构，内部有效面积33×24×8.5 mm3。依据尺寸小、重量轻、工作温度范围宽等要求，根据国产成熟的配套能力和军工生产的现有标准结构，选定标准金属外壳UPP3728－08封装结构。

3.3 电路原理设计

需要研制的产品输入为宽电压：18 V～40 V，输出电压为：5 V，输出电流为：5 A，要求纹波小、体积小、重量轻、成本低、可靠性高等特点。根据以上分析，单端正激式拓扑模式的优点正好满足需求。因此，选用单端正激式、电流控制拓扑模式实现设计要求。电路原理如图1所示。

稳压过程：当输出电压Out＋发生变化时，R12、R13取样电压也发生变化，此电压输入基准源N3，与N3内部的基准电压相比较，经过高倍误差放大，转换为电流信号，作用于光耦N2，再经N2内部隔离反馈，通过改变PWM调制器N1的脉宽，调整功率开关管的导通占空比，实现闭环反馈电路，从而达到稳定输出电压的目的。

3.4 技术难点及关键问题的解决

3.4.1 电源输出噪声

DC／DC模块电源工作时，其内部的电压和电流波形都是在非常短的时间内上升和下降的，所以开关电源本身就是一个噪声发生源。开关电源按噪声干扰源种类可分为尖峰干扰和谐波干扰两种。要使电源产生的干扰不至于对电子系统和电网造成危害，根本办法就是采用耗能电路来削弱噪声发生源，或者切断电源噪声和电子系统、电网之间的耦合途径。

降低纹波主要在电路设计、布图和选件上采取措施。具体有以下几点：

（1）合理排列元件，尽量使电磁干扰平面化，不在立体空间互扰，这样当整个电路封入金属外壳时，会实现最大屏蔽效果。

（2）布图时强弱信号的地线必须分线布图，集中接地。

（3）使用磁路封闭、漏磁少的电感和变压器。

（4）在变压器初级、次级合理使用阻容吸收网络消除电磁干扰。

3.4.2 产品短路功耗问题

样品生产完成，进行输出短路功耗测试，瞬间短路输出端，用电流表测试输入端电流，经计算短路时模块功耗为13.3 W。

上述测试结果明显不符合设计输入要求，我们对产品工作时PWM脉宽调制器各引脚的工作状况进行测试、分析。发现PWM脉宽调制器P3引脚的电压已趋近0.7 V，现需要减小P3引脚的电压尖峰，使PWM脉宽调制器不在临界保护状态下工作。经计算，反复试验，调整P3脚（CS）的补偿电路，改变其斜坡补偿量，R17、R6、C12进行调整、匹配，减少尖峰干扰，使产品可稳定工作，测试短路功耗为3 W左右，其它指标满足产品标准的规定。