一种新型高温PWM控制电路的设计

丁瀚 刘林 王毅

（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

当前高可靠、长寿命、工作温度范围宽（-55 ～125℃）、抗环境应力能力强的常规DC/DC 变换器广泛应用于航天、航空、兵器、船舶等各种应用领域。随着科学技术的进步，整机系统对DC/DC 变换器的要求也越来越高，其发展方向主要为高频化、小型化、高功率密度等。但是同时对包括抗辐照、耐极高温、耐极低温等在内的耐受特殊环境能力的DC/DC 变换器的需求也越来越强烈。

深空探测、深井勘探、飞机发动机控制系统和内燃机战车控制系统中均存在高温环境。如月球表面高温可达127℃以上；深井测井仪器需要工作在环境温度168℃以上；飞机发动机控制系统工作的最高工作温度可达93℃以上；内燃机战车控制系统工作的最高温度可达90℃以上。最高壳温125℃的常规DC/DC 变换器工作在环境温度90℃时，考虑到外壳存在温升，已达到现有产品能力极限，无法满足温度降额要求，因此这些特殊场合需要能够耐受高温的电源产品。

本文介绍一种应用于185℃高温的新型PWM 控制电路，解决了高温环境下（185℃）无合适PWM 控制电路的问题，突破了常规半导体器件175℃结温的限制，使用全新的高温PWM 芯片和高温MOSFET 以及全新的电路形式，具有适用温度范围广、静态电流小、系统响应性能好等特点，可广泛应用于各类高温开关电源中。

2 电路方案设计和原理分析

2.1 主控芯片的选择

本文涉及的PWM 控制方法，突破了常规半导体175℃结温的限制，可用在最高壳温185℃的高温DC/DC 变换器中。因此，传统Si 工艺的芯片已不再适用。

要设计出应用于185℃高温环境下的PWM 控制电路，就必须优选基于Soi 工艺的新型芯片，替代传统Si 工艺的芯片。本文所选用的CHT-MAGMA 芯片即为一款基于Soi 工艺的PWM 芯片，Soi工艺的芯片主要优势在于抗高温，可在225℃以上的高温环境中正常工作。

其他所用材料如电容、电阻均优选可抗击200℃高温的耐高温器件。因此可将电路整体的工作温度由常规最高+125℃提升至最高185℃。

图1：高温PWM 控制电路原理框图

图2：预调节电路图

2.2 电路方案的设计

基于所选用的高温器件，设计出PWM 控制电路方案，主要包括预调节电路、开关振荡电路、电流环路、电压环路及欠压保护电路。如图1 所示。

其中，电压环路和电流环路的功能是设置PWM 芯片的输出占空比，开关振荡电路的功能是设置PWM 芯片的开关频率，预调节电路为PWM 芯片提供了供电；欠压保护电路设置了PWM 芯片的欠压保护点。

2.3 主要电路参数的设计

2.3.1 预调节电路设计

由于PWM 控制芯片无法承受30V 以上的输入电压，因此需要架构预调节电路来保证芯片供电，电路图如图2 所示。

MOSFET 管Q18 在该电路中被当做源极跟随使用，电阻R51、R52 形成了VIN 与VDD5V 之间的分压。使用的MOSFET 管为SNMOS80，可在250℃下正常工作。电容C62 起到了滤波的作用，R50 和R53 起到了抑制瞬态电流的作用，保护器件不被烧毁。

2.3.2 欠压保护电路的设计

设置欠压保护电路可有效保护电路不在输入电压过低时受损，提高电路整体的可靠性，电路图如图3 所示。

R19，R27+R25 可对输入电压Vin 分压，该分压小与芯片内部VREF 时，内部比较器输出低电平且PWM 输出被禁止。这就保证了产品在输入电压过低时，输入电流不会过大，避免了芯片受损。

2.3.3 开关振荡电路设计

在PWM 芯片中，开关频率由内部振荡器控制，该振荡器的频率为50HZ 到500KHZ 可调。可由图4 的电路设置开关频率。

本设计中，设置开关频率fs_typ=150kHz，根据手册，该芯片的工作频率可由下式计算

VDD 与DISCHARGE 之间的内置电阻RA=38.8kΩ

THRESHOLD 与DISCHARGE 之间的内置电阻RB=4.85kΩ

开关电容C25

2.3.4 电流环路设计

本设计中采用反激拓扑，因此需要电流环路，电流环路电路如图5 所示。

匝比选择1：60 用以降低在电流取样时的损耗。

取样所得的信号经过Q5 整流，此处Q5 当做二极管使用，整流后R2 上的电压可由下面公式计算。

之后该信号被R11，C32 滤波之后进入芯片17 脚。17 脚连接芯片内部高速比较器。用以控制PWM 输出。

2.3.5 电压环路设计

电压环路电路如图6 所示。

芯片内置的运算放大器被用作电压误差放大器。输出电压被磁隔离变压器反馈到原边，之后反馈电压被Q6,C1 整流滤波，电阻R29，R34 以及RV1 分压输入到芯片内部误差放大器，与芯片内部基准电压进行比较之后调整芯片输出的占空比，来控制产品的输出电压。

图3：欠压保护电路图

图4：开关振荡电路图

图5：电流环路电路

图6：电压环路电路

表1：测试指标

图7：Vin=25V 主开关管DS 与GS 波形

图8：Vin=28V 主开关管DS 与GS 波形

图9：Vin=31V 主开关管DS 与GS 波形

3 应用实例

本文在一款28V 输入±12V/0.5A 输出的高温DC/DC 变换器（最高工作温度185℃）中，验证该新型高温PWM 控制电路。

该电路在高温185℃环境下正常工作，所测试的指标如表1 所示。

因此可看出该高温DC/DC 变换器产品在185℃的环境温度下可正常工作，在输入电压在25V，28V，以及31V 的情况下，主功率MOSFET 的驱动和漏源极波形如图7，图8，图9 所示。

由此可见，该产品占空比可以正常调节，该高温PWM 控制电路在产品中正常工作。

4 总结

本文介绍了一种新型高温PWM 控制电路，详述了该电路的功能、器件的选择以及方案的设计，实现了可在185℃高温下工作的PWM 控制电路的设计，并在高温DC/DC 变换器中使用了该方案，验证了该方案的可行性。