新拓扑超低压大电流开关电源的研究与实现*

余世科 ，叶明刚 ，谢鹤龄 ，金建辉

(1.中国船舶集团第七〇五研究所，云南 昆明 650032；2.昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500)

0 引言

为应对不断增长且复杂程度越来越高的实时计算和通信需求，许多电路系统选用大量高功率、高频率可编程逻辑处理器(FPGA)、中央处理器(CPU)、数字信号处理器(DSP)、存储器等相关集成电路(IC)[1-3]构成的计算机、网络服务器、信息化工作站、便携式设备等[4]构成的信息化系统，系统功耗不断增加，能耗巨大，限制了这类大型系统的发展。要想降低整个系统能耗，方法是将集成电路芯片的工作电压设计得很低，所以现在集成电路芯片的工作电压越来越低。除此之外在许多特种行业，比如电磁泵的驱动电源，金属冶金、化学电解中的电解电源，弧焊或切割的电源等迫切需要低压大电流电源，提高工作性能，降低生产能耗。为适应这些负载的需求，低压大电流开关电源得到了发展。国外在低压大电流电源领域发展较快，早期的低压大电流开关电源研究试验测试数据为直流12 V 输入，输出1.2 V/50 A[5-6]，近几年实现了直流12 V 输入，输出1.8 V/120 A[7]；国内自主研发启动较晚，相关研究资料较为领先的实测数据为直流36 V 输入，输出1 V/30 A[8]。现有低压大电流开关电源产品中，国外Cosel 公司的SFS30481R2 模块和ROAL Electronics 公司的DC-DC 模块RDS50-48S1V2 在输入电压36 V 的情况下实现输出电压低至1.2 V，输出电流分别为3.5 A 和25 A。国内弗来翔电子DC-DC 模块HMW75-12S05 在输入电压12 V 时，输出5 V 电压15 A 电流；海凌科电子的AC-DC 模块HLK-5M03 和HLK-10M03 在输入电压110 V 时，输出3.3 V/1.5 A 和输入电压36 V输出3.3 V/3 A。可以看出低压大电流电源领域国内与国外相比存在较大的差距，有必要设计自主知识产权的高性能低压大电流电源[9]，进一步降低电源输出电压，提高电源输出电流。本文对新拓扑结构低压大电流电源进行了仿真分析和实物测试，设计的低压大电流电源电路实现了1 V/35 A，0.7 V/20 A 的指标，在实现更低电压和更大电流指标上有显著改善提高，而且结构简单，但是效率指标不高，还有待提升。

1 新拓扑低压大电流电源电路的仿真分析

1.1 新拓扑主电路结构介绍

新型拓扑以传统Buck 为基础改进所得，主要由离散恒能量斩波桥和续流滤波电路组成，如图1 所示。其中S1、S2、S3、S4 和C1组成的离散恒能量斩波桥，其中电感L 为续流储能电感，电容C2为输出滤波电容，R 为负载，续流二极管D[10]，该拓扑是首次拓展应用于低压大电流开关电源电路。

图1 新型拓扑主电路原理图

通过分析新型拓扑结构电路有如下特性：新型拓扑主电路输出功率如式(1)所示[10]：

新型拓扑主电路输出电压如式(2)所示：

由式(1)和式(2)可知新拓扑可以通过调节驱动频率(即PFM 方式)和改变离散恒能量斩波桥电容的充电电压(即PWM 方式)来改变输出电压的大小，实现低压大电流输出。

1.2 新拓扑低压大电流电源电路的仿真分析

系统级电力电子仿真软件PLECS 在电力电子仿真领域处于世界领先地位，PLECS 的软件特性有：热设计、理想开关、鲁棒性以及瞬态性，是一款涵盖广泛的多功能EDA 软件，在电力电子领域得到普遍使用。以下将对PWM 调制和PFM 调制[11]进行EDA 仿真分析。

1.2.1 新拓扑低压大电流电源电路PFM 仿真分析

对新型拓扑主电路进行PFM 调制仿真，能量桥上的开关管S1、S2、S3、S4 基础参数设定为：正向电压2.0 V，导通电阻0.005 Ω，导通时间640 ns，关断时间180 ns；储能电容C1取值1 μF；滤波电感1 μH；滤波电容6 000 μF；负载阻值0.025 Ω。PFM 调制仿真器件参数如表1 所示。

表1 新拓扑低压大电流电源电路PFM 原理图参数

当驱动信号为峰值12 V，100 kHz，45%占空比的方波时，驱动波形如图2(a)所示，输出电压约0.98 V 波形如图2(b)所示，输出电流39 A。仿真数值如表2 所示。

图2 新拓扑低压大电流电源电路PFM 仿真波形

表2 新拓扑低压大电流电源电路PFM 仿真数值

1.2.2 新拓扑低压大电流电源电路PWM 仿真分析

对新型拓扑主电路进行PWM 调制仿真，能量桥上的开关管S1、S2、S3、S4 基础参数设定为：正向电压2.0 V，导通电阻0.005 Ω，导通时间640 ns，关断时间180 ns；储能电容C1取值50 μF；滤波电感1 μH；滤波电容6 000 μF；负载阻值0.025 Ω。PWM 调制仿真原理图器件参数如表3所示。

表3 新拓扑低压大电流电源电路PWM 原理图参数

当驱动信号为峰值12 V，50 kHz，10%占空比方波时，驱动波形如图3(a)所示，输出电压约1.19 V 波形如图3(b)所示，输出电流45 A。仿真数值如表4 所示。

表4 新拓扑低压大电流电源电路PWM 仿真数值

图3 新拓扑低压大电流电源电路PWM 仿真波形

综上所述，通过EDA 仿真分析，验证了新型拓扑低压大电流电源电路可行性，确立了控制低压大电流开关电源的关键参数为驱动信号频率或者驱动信号占空比，为后续实物测试提供了一定的理论依据。

2 新拓扑低压大电流电路的实现

2.1 新拓扑低压大电流电路样机设计

由于实验中实现PWM 控制较容易，因此样机设计为PWM 控制方式。样机电路原理图如图4 所示。驱动控制芯片采用SG3525A 实现PWM 调制控制，输出PWM 脉冲通过变压器驱动离散恒能量斩波桥四个功率管；离散恒能量斩波桥电容采用多个电容并联，增大容量降低分布参数影响；加强了续流和输出滤波。设计参数为控制频率设定为100 kHz 时，结合SG3525A 使用手册预设R7取20 kΩ，R6 取100 Ω，C9 取680 pF。软启动端(引脚8)接入电容C10，容值1 μF。截止端(引脚10)对地电阻R8取值1 kΩ。参考电压调节部分电位器RW1 取值5 kΩ，滤波电容C8 容值0.1 μF。补偿端与误差放大器输入端之间串联电阻R5 与电容C7 构成PI 调节，预设R5 阻值10 kΩ，电容C7 容值1 nF。电容C12、C14、C15 为退耦合电容，容值分别为0.1 μF、0.1 μF、10 μF。电容C11、C13为隔直电容，容值均为1 μF。输入电压12 V，能量桥电容容值10 μF；负载电阻最小取值0.025 Ω；能量桥MOS 管型号IRFP3206PbF；续流二极管型号MBR6040；续流电感L1 电感值10 μH；滤波电感L2 电感值2.2 μH；滤波电容预计取值1 000 μF 并联连接。

图4 新拓扑低压大电流电源电路样机原理图

新型拓扑超低压大电流开关电源样机PCB 采用两层板结构，包含多点接地和功能分区设计要素[12-13]，尺寸仅200 mm×100 mm，如图5 所示。

图5 新拓扑低压大电流电源电路样机PCB 设计图

新型拓扑超低压大电流开关电源样机实物如图6所示。

图6 新拓扑低压大电流电源电路样机实物图

样机测试中使用两台直流电源分别为主电路和控制电路供电，电源电压均为12 V。采用的负载为50 W功率，阻值0.1 Ω 的铝壳电阻，根据测试需要进行串并联。测量仪器是优利德公司型号UTD7102B 的100 MHz带宽示波器；台湾宝工公司型号MT-1280 数字万用表；优利德公司型号UT210E 钳形数字电流表。

2.2 新拓扑低压大电流电路样机的实测分析

2.2.1 输入12 V 输出1 V35 A 样机的实测分析

主电路输入电压12 V，负载0.025 Ω 时控制电路驱动波形如图7(a)所示；输出电压波形如图7(b)所示。由实测波形可看出，在能量桥交替导通的时候驱动波形的幅值达到12 V 和频率满足100 kHz，符合驱动设计要求，但是显然可看出在输出功率要求提高的情况下，能量桥开通损耗和关断损耗更加严重，输出电压波形纹波干扰也有所加大。实测数据如表5 所示，此时输出电压为0.99 V，输出电流35.01 A，实现超低电压的同时，在低压大电流指标上取得了进展。

图7 输入12 V 输出1 V/35 A 样机波形

表5 输入12 V 输出1 V/35 A 样机的实测数值

2.2.2 输入12 V 输出0.7 V/35 A 样机的实测分析

以上述试验平台为基础，对新型拓扑低压大电流开关电源进行更低电压的探索。输入电压仍然保持12 V，负载0.03 Ω，调节控制电路中RW1 阻值，改变输入同相输入端的电压参考值，使得输出电压下降，得拓展试验波形如图8 所示。

图8 输入12 V 输出0.7 V/20 A 样机波形

电路输入电压12 V，负载0.03 Ω，调节电位器RW1后，由驱动波形可看出，此时驱动频率和幅值仍然满足设计指标，占空比由于压降的增大而减少，与原理相一致，但是开关损耗增大。由输出电压波形可看出，输出电压降低至约0.7 V，但是由于开关损耗的增大，输出电压高频干扰即纹波更加明显，从而也影响电源效率。实测数据如表6 所示，此时输出电压为0.69 V，输出电流20.4 A，电源效率31.32%，实现了向更低电压输出指标。

表6 输入12 V 输出0.7 V/20 A 样机实测数据

实测总结，通过实物制作以及试验平台的搭建，对新型拓扑低压大电流开关电源进行了样机测试，测试数据验证了新型拓扑的可行性和实用性，样机满足主要设计指标，部分指标有所提高。

3 结论

集成电路系统要求系统功耗越低越好，超低压供电的低功耗集成电路芯片大量出现，低压大电流开关电源必将得到大力发展，开发自主可控的高性能低压大电流开关电源很有必要。新型拓扑低压大电流开关电源在电源拓扑结构上实现了创新，拓扑结构简单，较易控制，而且PFM 和PWM 两种控制方式都能实现低压大电流输出，相比现有拓扑低压大电流开关电源，低压大电流主要指标较高，但是该电源的效率和纹波指标还需继续改进提高。