一款宽范围高压输入厚膜DC/DC变换器设计

金阳 韩志康

（中国电子科技集团公司第四十三研究所 安徽省合肥市 230088）

随着航天、航空电子系统性能的不断提高，电子系统对高效率、高可靠、宽输入高压DC/DC变换器的需求日益迫切。对于航天、航空高压供电系统，其工作时供电电压会存在过压或者欠压浪涌尖峰输入，可能使DC/DC变换器工作出现异常，甚至烧毁，严重影响高压供电系统的可靠性。

目前常用的解决方案是在输入供电线路中加入浪涌抑制电路来减小电压波动干扰，保证DC/DC变换器供电电压稳定在可靠范围之内。但上述电路方案拓扑结构复杂、电路占用空间大，已经难以满足电子系统小型化和高效率的要求。因此，研制超过4:1输入电压范围的高压输入DC/DC变换器是解决上述问题的有效技术途径。同时，航天、航空电子系统仍存在大量28V供电需求为内部控制电路和驱动电路供电，迫切需要宽范围高压输入、28V输出的DC/DC变换器。

为了保证DC/DC变换器高可靠，采用厚膜混合集成工艺，结合平面磁性器件集成技术和厚膜高压绝缘技术，研制了一款宽范围高压输入90～400V，输出28V/5.4A的厚膜DC/DC变换器。其输入电压能够有效覆盖航天、航空高压270V供电系统的波动范围，具有转换效率高、工作温度范围宽（-55℃～125℃）的特点，能够满足航天、航空恶劣供电环境的应用要求。

1 电路拓扑方案

宽范围高压输入DC/DC变换器设计的主要难点是在满足4:1宽输入高压输入的条件下，保证DC/DC变换器的电性能和可靠性。根据DC/DC变换器的设计要求，具体电路原理图如图1所示。

图1的电路方案具有如下主要特点：

图1：半桥电路原理图

（1）根据400V高压输入、4:1宽范围输入、输出功率150W的特点，DC/DC变换器电路拓扑采用半桥拓扑，保证在高电压输入范围内实现相关性能指标。

（2）根据28V输出电压的特点，次级采用全桥整流电路，每个桥臂为两个整流二极管串联承受反向电压，适合较高电压输出应用环境。

（3）内部供电独立设计，提高电路供电的可靠性，保证DC/DC 变换器不因为高电压输入供电而导致可靠性和转换效率下降。

（4）采用一次侧电流互感器采样输入电流进行控制，实现过流保护和短路保护的精确设计。避免因为输入电压范围宽导致的电流检测不准的难点，保证DC/DC保护功能达到应用要求。

2 电路设计

2.1 变压器设计

半桥拓扑设计核心是变压器，变压器设计是实现宽范围高电压应用的关键，直接关系到功率转换效率和内部电路可靠供电。变压器设计过程主要如下：

（1）变压器工作频率设计为330kHz，输入电压为90V～400V，输出电压为28V，最大输出电流为5.4A。

（2）变压器设计为扁平铜带绕组平面变压器，具有参数一致性好、漏感小的特点。磁芯厂家为天通公司，磁芯材料为TPW33，A=60.73mm，B=410mT。半桥电路拓扑预设最大磁通密度变化量ΔB=170mT。

（3）变压器设计工作条件按最低输入电压和满载输出的极端情况来计算。最小输入电压为V=90V。半桥电路拓扑中变压器初级绕组电压等于输入电压的一半，即V=45V。则初级绕组匝数计算公式为：

式中：N—— 初级绕组匝数；

V—— 初级绕组最低电压；

D—— 最大占空比；

f—— 工作频率；

A—— 磁芯截面积；

ΔB—— 磁通密度变化量。

（4）半桥电路拓扑中两个功率管轮流导通，最大占空比预设为0.4。在最低输入电压时占空比最大，将D=0.4代入式（1），可得N=10。

（5）变压器次级采用全桥整流电路，整流二极管的最大占空比不超过0.4，输出回路整流二极管压降V=0.5V，则变压器

次级绕组匝数计算公式为：

式中：N—— 次级绕组匝数；

V—— 二极管压降。计算可得次级绕组匝数N=8。

2.2 半桥分压电容设计

变压器初级电流对半桥的分压电容进行充放电，引起电容上电压波动，电压波动度取0.03，额定输出负载为5.185Ω。分压电容的容值计算公式为：

式中：R—— 额定输出负载；

ξ —— 电容电压波动度。

把相关参数带到式（3）中，计算得半桥分压电容值为2.5uF，实际取3.3uF，采用多层片式陶瓷电容。

2.3 次级整流设计

随着输入电压的升高，次级整流的电压应力会随之升高。次级采用全桥整流技术能够有效降低整流二极管的电压应力，能够选择导通压降较低、反向恢复较快的肖特基二极管，提升了电路的工作频率。

高压输出的次级整流电路中常见全桥整流方式有两电平结构和三电平结构。两电平全桥整流设计简单、元件数量少，适合低压输出设计，输出电压15V以上时，对输出电容耐压要求较高，无法满足较高电压输出时低纹波的应用要求。为实现大功率高电压28V输出时低纹波，DC/DC变换器设计了三电平结构全桥整流，使28V输出变为两路14V输出串联，减小了输出电容的电压应力，提升输出电容容值，降低输出电压纹波。

图2中，变压器次级绕组交流信号经全桥整流电路的两个桥臂分别整流后，输出至电感L1，经输出电容C25～C28滤波后输出28V直流电压。考虑半桥拓扑中全桥整流电路的特点和变压器漏感，次级整流管承受的电压应力应充分考虑设计裕量，保证满足Ⅰ级降额要求。根据公式（4）计算得到肖特基二极管承受电压为：

图2：次级整流电路原理图

式中：V—— 二极管反向电压；

V—— 初级绕组最高电压；

N —— 变压器匝比。

计算可得每一桥臂两个肖特基二极管承受的反向电压为234V，实际取两个150V耐压的肖特基二极管串联。

2.4 内部供电设计

宽范围高压输入DC/DC变换器的最低输入电压为90V，最高为400V，输出电压为28V。电路内部初级侧和次级侧的控制电路都需要合适的供电电压。

传统的线性稳压供电方式在高电压输入时，线性稳压中的功率管压降大、功率损耗严重，严重影响电路转换效率，同时影响高电压输入时的内部电路供电可靠性。因此需要为DC/DC变换器设计高效率、高可靠的内部供电电路。

内部供电需满足以下条件：

（1）输入电压90V～400V稳定供电；

（2）初级侧、次级侧需要相互隔离；

（3）供电电路拓扑简单，体积足够小，为功率电路留有更大空间。

经考虑后，设计变压器辅助绕组供电经整流滤波稳压来实现，其工作电压范围为稳定的15V，能够满足要求。

2.5 初级侧采样保护设计

设计必要的保护电路是提高DC/DC变换器可靠性的重要功能之一。针对应用环境要求，结合功率电路和控制电路的特点，DC/DC变换器设计了短路保护、欠压保护、软启动、禁止等功能。

小功率DC/DC变换器的短路保护是通过功率电路中串联电阻采集初级侧的输入电流，将其转化为电压信号后提供给比较器进行比较后输出控制信号，判断是否进入保护模式。该方法优点是元器件相对较少、成熟可靠，但缺点是不适用于电流双向流动的大功率半桥拓扑。

宽范围高压输入DC/DC变换器设计了一款电流互感器采样短路保护电路。其工作过程：

（1）通过电流互感器初级对双向输入电流进行采样；

（2）电流互感器次级采样电阻上的电压经整流滤波后输入到控制芯片的CS端。

（3）控制芯片CS端的电压与内部基准电平进行比较，当CS端电压低于基准电压时（未短路），控制芯片正常工作，电路中功率管的驱动信号正常；当CS端电压高于基准电压时（输出短路），控制芯片内部电路翻转，无驱动信号输出，功率管关闭，进而电路无输出。

该短路保护电路的特点是直接对输入电流进行采样，短路保护信号与输入高电压隔离，短路保护点的值可通过设置采样电阻和CS端电压进行控制，提高短路保护功能在全输入电压范围内的可靠性。

3 仿真验证

根据上述设计思路，对宽范围高压输入DC/DC变换器整体电路进行了仿真模拟，以提高设计的可靠性。

通过Saber软件仿真验证变压器设计的合理性和90V～400V输入时输出电压是否正常。按图1绘制仿真电路图，各重要参数设置如表1所示。输入400V、输出28V/5.4A时，输出电压仿真波形如图5所示。由图3可见，输出电压建立过程平滑且无过冲。

表1：仿真电路参数

图3：输出电压仿真波形

图4和图5为功率开关管的电压应力和输出纹波电压仿真波形图。由图4可见，270V输入时功率开关管电压应力为288V。由图5可见，28V输出电压纹波约为50mV。

图4：功率开关管电压应力仿真波形

图5：输出纹波电压仿真波形

图3～图5的仿真结果表明，按表1设计的宽范围高压输入DC/DC变换器可以实现稳定输出，满足宽范围高电压输入、大功率输出的工作要求。

4 样机测试

按上述设计过程，选择性能优异的功率器件，合理布局、均衡分布热源，并采用厚膜混合集成工艺加工。在样机的基础上不断调试环路稳定性、空载输入电流、短路保护点、容性负载能力等，最后得到性能满足要求的产品。

通测试样机输入400V、输出28V/5.4A时电路工作波形对样机的性能进行更好的评估。输入400V时，输出启动电压波形如图6所示，样机无启动过冲的情况，性能良好，与仿真波形一致。

图6：输出电压启动波形图

输入400V时，功率开关管的电压应力波形和28V输出纹波电压波形具体如图7和图8所示。

图7：功率开关管电压应力实验波形图

图8：输出纹波电压实验波形图

图7和图8可见，输入400V时，功率开关管的电压应力无明显尖峰，工作稳定。28V输出电压纹波约为194mV，其中激波约为80mV，满足设计要求，无自激现象。

在常温、不同输入条件下对样机的效率进行测试。样机效率曲线如图9所示。常温28V输入、带载大于5.4A后输出效率>87%，满足转换效率的要求。由于肖特基二极管对产品的效率影响较大，所选的次级整流管为吉华微特肖特基二极管JHSC175H150AL，具有导通压降小等优点。

图9：样机效率曲线图

5 结论

本文提出了一款宽范围高压输入DC/DC变换器设计方案，详细介绍了半桥电路拓扑设计、变压器设计、内部供电电路设计和初级侧采样保护设计，通过对电性能仿真验证和样机测试验证，电源测试波形与仿真波形基本一致，工作波形正常，性能良好，效率满足>87%的要求。可广泛应用于航天、航空等宽范围高压供电系统，达到了预期设计目标。