一种超低输出纹波DC/DC电源的设计

刘林 王多笑 金阳

（中国电子科技集团公司第四十三研究所 安徽省合肥市 230088）

1 引言

目前在数字逻辑电路、图像处理电路等对噪声比较敏感的电路中通常采用噪声电压较低的线性电源进行供电，但是线性电源存在转换效率低的缺点。随着电子系统小型化的发展，电子系统对超低输出纹波噪声且高转换效率的开关电源有着越来越强烈的需求。本文中设计的超低输出纹波DC/DC 电源同时具有超低输出纹波电压和高转换效率两种优点，为整机系统的小型化及更新换代提供了高可靠、高纯净的二次电源。

2 电路方案设计

本文所要完成的电路基本要求是：

（1）输入电压：18V；

（2）输出直流电压：+5V；

（3）输出功率：7.5W；

（4）输出纹波电压： ≤10mV；

（5）输入与输出相互之间隔离。

2.1 电路拓扑结构的设计

电路选择了相对简单的反激式电路拓扑结构。反激式拓扑结构电路简单，所需的元器件较少，主要适用于中小功率电源电路。且反激电路作为成熟技术，可以有效地保证电路的可靠性。

电路原理框图如图1 所示：采用单端反激式结构，由高频变压器、功率开关管、脉宽调制单元（PWM）、整流电路、滤波电路、取样比较电路、光耦隔离电路等电路组成。

2.2 超低输出纹波电压的设计

如果电路的输出纹波电压较大，会对输出端后级的负载产生影响，产生不必要的干扰。目前常规DC/DC 电源的纹波电压一般要求达到50mV 以下即可，而本电路要求在带宽输出纹波电压低于10mV，对输出纹波要求很高，因此电路针对输出纹波电压进行了优化，具体优化措施如下：

（1）优化次级整流滤波电路的版图布局，减少走线长度，增大地线宽度；

（2）优化变压器走线方向，减少变压器抽头的长度；

（3）如图2 所示在输出端设计了差模和共模滤波相结合的滤波电路，减少纹波电压。

经过优化电路的输出纹波电压可以达到10mV 以下。

图1：电路工作原理框图

图2：输出整流滤波电路

图3：控制电路

图4：优化前的启动过冲波形

图5：优化后的启动过冲波形

表1：主要技术指标实测结果

2.3 输出启动过冲的抑制

在研制过程中发现采用输入电源作为触发，启动时电路输出电压启动过冲较小，但是改为控制信号触发启动时时的输出电压过冲较大达到了500mV。

经过电路的分析研究发现该现象是由于启动时电压建立时间过快导致反馈控制电路未能发挥稳压作用。通过将控制电路由控制PWM 芯片的电流感应端电平改为控制PWM 芯片供电电路，启动过冲由500mV 减小到100mV。

优化后控制电路如图3，优化前后启动波形对比如图4 和图5。

电路优化前的启动过冲的波形如图4。

电路优化后的启动过冲的波形如图5。

从图4 和图5 中，可以明显的看出，优化攻关后对启动过冲得到了有效抑制。

2.4 结构设计与工艺设计

研制时电路外壳采用冷轧钢金属全密封封装外壳，引线为双列直插，可以减小电磁干扰，提高产品的可靠性，延长产品寿命。对外壳进行了镀镍处理，这样大大提高了产品的抗盐雾能力。

电路工艺上采用厚膜混合集成电路微组装工艺。在96%的Al2O3陶瓷基片上成膜（丝网印刷技术）之后，再把裸芯片、变压器和阻容元件等组装上去，最后进行密封。电路中芯片焊接采用再流焊工艺和导电胶粘接工艺；芯片键合采用金丝键合和铝丝键合工艺；变压器和电感均采用绝缘膜绝缘胶粘接固定，引线端头采用手工焊进行连接；在电路内部抽真空充氮气后采用平行缝焊工艺对外壳进行气密封口。

陶瓷基板和金属外壳的耐高温性能和抗机械应力能力比较优异，内部所充的氮气为惰性气体可以有效的保护裸芯片不被氧化。这样研制出来的电路，具有长寿命、工作温度范围宽、高可靠等优点。

3 电路达到的性能

采用厚膜混合集成工艺和金属气密封装技术研制的超低输出纹波电源样品实测的主要技术指标如表1 所示。可以看出，该电源具有输出电压稳定、超低输出纹波和工作温度范围宽等特点。

4 总结

本文介绍了一种超低输出纹波电压DC/DC 电源的设计，详述了电路拓扑结构的设计、超低输出纹波电压的设计和辅路抗过载设计等，该电路具有超低输出纹波和转换效率高的优点可以应用于各种对电源噪声敏感并对功耗要求高的场合。