一种基于Buck-Boost拓扑结构的电源模块设计

刘 力，李 瑞，刘少龙，徐叶斌

（航空工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710065）

0 引 言

随着时代的不断发展和进步，智能化电子设备已经渗透到人们生活的方方面面，电源作为智能化电子设备必不可少的一部分，人们对其要求也越来越高。相对于传统线性电源体积庞大笨重、转换效率偏低的缺点，开关电源具有体积小、效率高、输出功率大等优点，因此成为应用面最广、应用数量最多的电源[1]。

开关电源是利用现代电力电子技术控制开关管开通和关断的时间比率来维持稳定输出电压的一种电源，其效率达到70%～95%，被誉为高效节能电源，近几年得到了比较迅速的发展[2-5]。因此，市面上出现了种类繁多的集成DC/DC开关电源模块，并被广泛应用。但对于某些追求经济效益的民机产品而言，批量生产集成的DC/DC开关电源模块由于难以改变的体积、功率和价格高等因素的影响，并不是理想的选择，故本文使用脉冲宽度调制控制芯片，利用Buck-Boost拓扑设计一种可调大功率稳定输出的电源电路，并在某型号飞机上加以应用。

1 电源功能介绍

为了在有限的布局面积上实现多路大功率输出电路，设计了一种包含多路大功率输出的电源模块。本文所设计电源模块的主要功能是将外部输入的质量参差不齐的电能变换为多路稳定可靠的12 V和1路28 V电能输出。该电源模块采用功能化、模块化的设计方法，将电源模块划分为电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）及闪电防护、掉电指示、浪涌防护、功率变化、输出保护以及输出状态指示等子功能部分，如图1所示。设计核心是使用控制器LTC3789，通过改变外围器件来实现功率变化、输出保护及输出状态指示的功能。

图1 电源模块

2 LTC3789芯片介绍

LTC3789是Linear公司推出的一款高性能、具有升降压功能的开关稳压控制器，可以在输出电压低于、等于或高于输入电压的情况下运行。同时，该控制器还具有恒定频率，其电流模式架构允许的锁相频率高达600 kHz，输出电流反馈环路用于电池充电[6]。此外，LTC3789控制器具有4～38 V的宽电压输入和0.8～38 V的1%电压精度输出，还具有可调软启、过流防护及输出状态指示功能。

3 电路设计及工作原理

3.1 Buck-Boost拓扑变换原理

LTC3789控制器外接4个功率MOSFET开关和1个电感组成Buck-Boost拓扑结构，具体如图2所示，其中Q2充当Buck拓扑的续流二极管，能在一定程度上降低电路的损耗，提高转换效率，实现对输入电压的升降压调节。

图2 Buck-Boost拓扑结构

3.1.1 降压模式

当Uin＞Uout时，该变换器工作在降压模式下，此时开关Q4常处于关断状态，Q3常处于打开状态。在开关周期开始时，开关Q2先打开，此时电感电流流过感应电阻RSENSE，当感应电阻两端的电压下降到参考电压时，开关Q1打开，Q2关断，输入源Uin对电感L进行充电。当监测到输出电压过高时，开关Q1关断，Q2打开，电感L进行放电，然后开关Q1和Q2依次往复交替打开，完成对输入电压的斩波达到降压的目的，类似于典型的Buck拓扑结构。

3.1.2 升降低压模式

当Uin≈Uout时，该变换器工作在升降压模式下。在周期开始阶段，如果开关Q2和Q3打开，控制器工作在降压模式下，电感L通过感应电阻RSENSE放电，电感电流减小[7,8]，当RSENSE上的电压降到内部设置的阈值时，开关Q2关断，Q1开始打开，Uin开始对电感L充电，电感电流通过Q3对外输出，在120°时钟相位处时，Q4打开，Q3关断，控制器工作在升压模式下，当芯片内部电流比较信号Icmp再次跳变时，开关Q3在剩余时钟周期内导通，从而保持电感电流近似恒定。通过对芯片内部Icmp的不断监测，控制器也在升压降压模式下不断跳动，从而维持输出电压的稳定[9]。

3.1.3 升压模式

当Uin＜Uout时，该变换器工作在升压模式下，此时开关Q1常打开，Q2常关断。在周期开始时，开关Q4先打开，输入源Uin对电感L进行充电，当监测到电感电流超过内部设置的阈值时，开关Q3打开，Q4关断，电感开始对外放电，输入电压Uin和电感电压一起累加后通过Q3对外输出，从而使输出电压升高，当电感电流降低时，Q3又开始关断，Q4打开，Uin再次对电感L进行充电，依次往复循环从而保证输出电压高于输入电压，达到升压的目的，类似于典型的Boost拓扑结构。

3.2 电路设计

利用控制器LTC3789搭建功率变换电路，搭建原理如图3所示。其中FB脚的内部基准电压为0.8 V，通过调节R8和R9的比值来调节输出电压的大小，这里通过设置使输出为12 V。采样电阻R2是对电感电流进行采样，并通过Sense+脚和Sense-脚把采样数据送入控制器从而对后续开关进行控制。采样电阻R5是对输出电流进行采样，电流设置引脚Ilim接地、悬空及接入INTVcc时，R5对应的限制采样电压分别为 50 mV、100 mV 和 140 mV，这时通过设置 R5的阻值可以设置内部电流跳变门限值，从而实现对电路的过流保护。这里Ilim接地，R5为10 mΩ，限流值为5 A。Mode/PLLIN为模式选择和外部时钟接入脚，当该脚接地时为脉冲跳跃模式，可以在轻负载条件下实现最低的纹波，当接EXTVcc时则工作在1个恒定频率以满足噪声敏感型应用的需求。这里接EXTVcc，使其处于恒定频率工作模式下。Run脚为控制器的开关控制引脚，当该脚悬空或者接1.22 V以上电压时控制器开始工作，这里选择悬空。SS脚为软启设置，通过选择外接电容控制启动时间，这里选择外接电容为 0.47 μF，启动时间为 0.125 ms。

图3 电路原理

4 仿真及试验

4.1 Buck-Boost功能仿真

为了验证该电路设计对电路真实的升降压调节效果，本文使用仿真软件LTspice对其进行仿真，按照电路设置参数进行外围电路的搭建。输入源设置如 下：0 ～ 2 ms为 12 V；2 ～ 5 ms为 18 V；5 ～8 ms为 6 V；8 ～ 10 ms为 12 V。仿真结果如图 4 所示。从图4中可以看出，0～10 ms的输出基本稳定在12 V，纹波电压小于1%，还可以看到电路在2 ms、5 ms、8 ms附近均出现较大的电压波动，是因为电路在这3个点位附近的输入电压接近输出电压，电路工作在升降压模式下，电路在升压和降压模式下不断切换造成的。在完整的升压模式和降压模式下，电路输出较为稳定的12 V，表明该电路具有良好的升降压调节功能。

图4 升降压调节仿真

4.2 带载能力试验

电源模块的工作条件为在28 V输入下，保证12 V持续稳定的输出。为了验证设计的电源模块带载能力，本文做了带载能力的试验，设置输入电压为28 V，通过改变电子负载电流的大小来模拟不同的带载能力，测试结果如图5所示。负载电流越大，该电源模块的转换效率越高[10]。

图5 转换效率

5 结 论

电源是电子设备的重要组成部分，高效稳定便捷的电源是未来的发展趋势。对此本文提出了一种基于LTC3789的Buck-Boost拓扑结构电源模块设计，通过对其原理及仿真分析表明该设计具有良好的升降压调节功能。最后通过对其进行带载能力测试，发现该设计具有较强的带载能力，并在某型号飞机上实际应用。