基于线性稳压电路的多路输出DC/DC变换器的设计

文/贺啟峰

1 概述

随着社会工业化进程加快，电子产品功能越来越强大，产品的集成化、小型化已成为主流趋势。在军用或民用电子系统中，子模块的数字单片系统的电源电压通常是由+3.3V、+5V、±12V、±15V等多路组成。故以三路为代表的多路输出DC/DC变换器在该类市场中占有一席之地。

在整机系统中，设计者为减少整机体积，往往希望所用的DC/DC变换器能够在最小的外壳内实现最多的功能。多路输出电源设计中，外壳尺寸通常是电源设计师的“紧箍”，故根据实际情况选择合适的电路方案尤为重要。

2 多路输出DC/DC变换器电路设计方案对比

不同的电子系统对多路输出DC/DC变换器的输出电压的组合搭配不同，每一路输出的带载能力的要求不同，所用的外壳尺寸不同，故所选用的电路设计方案亦不同。以三路输出电源为例，目前大部分三路输出电源设计方案都在以下四种类型中，如图1所示。

方案一（图1）：通用性极强，由于它是由两个电源回路组成，主路与辅路的PWM、变压器、反馈电路都是相互独立的，使用同步方式以减少主辅路之间的相互干扰和降低输出纹波峰值。此方案是多路输出DC/DC变换器主流解决方案，而且可以实现高精度输出，基本上能满足各种条件下电性能指标要求。但此方案使用的元器件数量很多，占用空间极大，不利于产品小型化，很难在小尺寸外壳内实现。

方案二（图2）：结构简单，实现方便，占用外壳空间很小。由于辅路没有稳压电路，其输出电压受主电路占空比控制，在不同负载条件下，辅路输出电压调整率较差，可用于辅路输出电压精度要求不高的场合。

图1：双调制器的三路输出电源

图2：主路带辅路的三路输出电源

图3：辅路用线性稳压器的三路输出电源

方案三（图3）：在方案二的基础上，辅路用到了线性稳压器调整输出精度，弥补了方案二中的辅路不受控的缺陷，有利产品小型化。但常规线性稳压器的输入电流通常不大，有一定限制且功率损耗大，会拉低电源整体效率。

方案四（图4）：在方案三的基础上，辅路用磁放大器电路代替线性稳压器，同样可以实现输出电压精确控制，而且磁放大器中的能量最终大部分都返回到电路中，提高了开关电源的总体效率。该方案使用的元器件不多，有利于产品小型化。不过，该方案适用于双路输出为主路，单路输出为辅路的情况，且辅路最大带载比重不可超过主路。而整机系统中，大部分多路电源的使用都是单路输出为主路，双路输出为辅路。

以上四种方案各有优劣，为了在满足产品小型化的条件下，实现电源高效率，高精度输出，这里给出了一种新的三路输出DC/DC变换器解决方案：辅路采用线性稳压电路的三路输出电源设计方案。

3 基于线性稳压电路的多路输出DC/DC变换器设计思想

这里以三路输出电源为例。线性稳压电路应用在三路电源中时，电源采用主辅路设计方式。令主路为单路输出，辅路为双路输出。如图5所示，主路依然采用常规隔离反馈结构，辅路采用线性稳压电路来自我调节。如此即满足了辅路输出受控的要求，又有利于产品小型化。而且线性稳压电路的输入电流、输出电压、效率等指标均可通过不同器件选择来控制。该方案应用灵活，可以很方便的拓展至三路以上输出电源，或者主路为双路输出，辅路为单路的三路输出电源中。

4 线性稳压电路在多路输出DC/DC变换器中的具体应用

采用图5的方案，设计实际电路，并分析其工作原理。图6为线性稳压电路原理图，这里将线性稳压电路用在三路电源中的辅路双路输出部分。

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图6中，N1A，N1B为比较放大器；R1、R2、R3、R4为取样电阻；V1、V3为调整器，采用功率三极管。

正路输出电压通过取样电阻R1、R2分压，取样电压加在比较放大器N1A的反向相输入端，与加在正向输入端的基准电压Vref相比较，两者差值通过N1A放大后控制串联调整管V1的压降，从而稳定输出电压。由于V1为NPN功率三极管，为增大驱动电流，在比较放大器与调整管之间增加三极管（V2）驱动电路。

当正路输出过低时，基准电压与取样电压差值增大，N1A的输出驱动电流增加，串联调整管V1压降减小，从而使正路输出升高。相反，若正路输出过高，基准电压与取样电压差值减少，N1A的输出驱动电流减少，串联调整管V1压降升高，从而使正路输出降低。

负路输出通过取样电阻R3、R4与正路相连，通常辅路双路的输出电压绝对值相同，故取样电阻R3=R4；而比较放大器N1B同相端的基准电压接到输出地（0V）。

当负路输出绝对值过低时，基准电压与取样电压差值增大，N1B的输出驱动电流增加，串联调整管V3压降减小，从而使负路输出绝对值升高。相反，若负路输出绝对值过高，基准电压与取样电压差值减少，N1B的输出驱动电流减少，串联调整管V3压降升高，从而使负路输出绝对值降低。

N1A输出正电平驱动NPN三极管控制正路输出，而N1B输出负电平驱动PNP三极管控制负路输出。因此，N1的供电正端接正电平Vcc，供电负端通过R9连接到辅路整流滤波输出负端。

表1：主辅路带载极限情况

表2：测试结果与SMTR28512T主要指标对比

图4：辅路用磁放大器的三路输出电源

图5：辅路用线性稳压电路的三路输出电源结构框图

图6：线性稳压电路原理图

5 试验结果

将图6电路具体应用到实际产品中，以T512三路输出DC/DC变换器为例，该产品的外壳尺寸为49×34×10mm3，输出为+5V/4A、±12V/0.416A，以+5V输出为主路，±12V输出为辅路。采用线性稳压电路方案能够在该外壳内完成版图设计，通过电性能测试对方案可行性进行验证。

5.1 主辅路带载极限情况

从表1可以看到，主路、辅路分别在5%-100%载变化时，电路均稳定输出，电流调整率均小于1%。因此，对于主辅路不同带载条件下，采用该方案输出稳定性高。

5.2 辅路带载极限情况

当辅路一路负载以-10%负载为步进条件，从90%负载步进到10%，另一路相反，以10%负载为步进条件，从10%负载步进到90%，辅路的交叉调整率如图7所示。

可以看到，辅路带载极限情况下，输出电压的交叉调整率均小于0.5%。因此，对于辅路不平衡载条件下，采用该方案输出稳定性高。

5.3 输出波形

图7：辅路交叉调整率

图8：三路输出电压波形

图8为满载时，输出电压波形，其中蓝线为+12V路，红线为-12V路，黄线为+5V路。

如图8所示，采用该方案电路启动输出单调上升，输出稳定。

5.4 参数对比

电路实测结果的主要参数指标如表2所示，并与interpoint公司同类产品SMTR28512T进行对比。

通过对比，该产品测试结果基本上满足SMTR28512T电性能指标要求，而且一些指标更优。因此，该设计方案是可行的，合理的。

6 结束语

本文首先对四种常用三路输出电源设计方案进行对比分析，给出了一种新的三路输出DC/DC变换器解决方案：辅路采用线性稳压电路的三路输出电源设计方案。然后，分析了该方案的设计思想，同时结合实际电路描述了线性稳压电路的工作过程。最后，通过具体产品对设计方案进行验证，并且给出测试数据及相关波形。测试结果证明线性稳压电路应用于多路输出电源是可行的，合理的，并且具有一定的优越性。