军用混合集成DC/DC变换器

1 引言

随着航天航空等电子工程系统小型化技术的发展，整机电源供电系统开始采用由混合集成DC/DC电源变换器构成的分布式供电设计方案，取代传统的由分立元器件组成的电源集中供电方式。军用混合集成DC/DC电源变换器以其体积小、重量轻、功率密度高、效率高、可靠性高等特点，被广泛用于军事电子控制系统。双路输出是DC/DC电源变换器常有的输出形式，通常，其输出有主副路之分，对双路输出的每路1有一定的要求，诸如双路输出负载平衡或副路加载时主路不能空载等要求，即存在所谓的交叉调整率问题，使双路输出DC/DC变换器的使用受到限制。而在一些特定的场合，要求DC/DC变换器双路输出没有主副路之分，相互独立输出。本文主要介绍低纹波双路输出DC/DC电源变换器的设计思想、实现方法及研究结果。

2 方案设计

根据双路独立输出的特殊要求，经过对双路输出DC/DC变换器拓扑进行深入分析研究，确定实现双路独立输出DC/DC变换器的电路方案。实现双路输出DC/DC变换器有以下4种电路方案，它们的电原理框图分别如图1、图2、图3、图4所示。

　

  
图1 方案1的电原理框图　


  
图2 方案2的电原理框图


  
图3 方案3的电原理框图


  
图4 方案4的电原理框图

方案1是1路输出采用反馈实现稳压，另1路采用后稳压的电路拓扑结构；方案2是两路输出均采用后稳压的电路拓扑结构；方案3是两路输出的差值采样，经光耦隔离反馈，实现两路输出稳压的电路拓扑结构；方案4是两路输出的差值采样，经变压器隔离反馈，实现两路输出稳压的电路拓扑结构。

这4种方案的高频变压器输入侧部分电路形式基本相同，所不同的是输出反馈方式和路径。表1为4种方案的特点对比，从中可知方案2具有双路独立输出、交叉调整率为零的特点。


  
表1 4种方案的特点对比

3 电路设计

3.1 方案2的设计特点

方案2采用UC1825A双端输出PWM控制电路，功率开关采用双端推挽结构，输入滤波采用π型滤波器，启动电路采用串联线性稳压电路向UC1825A供电。在高频变压器输入侧把高频变压器的1路输出绕组整流滤波作为辅助电源，切换启动电路向UC1825A供电，辅助电源同时作为预稳压电路反馈到UC1825A控制电路的误差电压控制端，控制UC1825A的输出脉冲宽度，构成UC1825A、功率开关、高频变压器、辅助电源及预稳压电路的闭环控制回路，实现辅助电源的稳压控制，从而实现输入电压Vi变化时正负双路输出的预稳压控制。正负两路输出均采用全波整流、两级LC滤波，并分别采用1个串联线性稳压器，实现负载变化时低纹波输出电压的稳压控制。

方案2是自主设计开发的，国内外目前尚未见到此种DC/DC变换器设计方案的报道。

3.2 控制回路设计

在高频变压器输入侧增设1个次级绕组，该次级绕组电压经整流滤波后，取样反馈到UC1825A控制电路误差放大器的反相输入端，构成闭环控制回路，使输入电压变化时该次级绕组电压稳定不变。

闭环控制回路的稳定性是整个DC/DC变换器系统正常工作必不可少的条件。由于存在滤波电感、电容相移环节，经过取样、放大、比较、脉宽调制后，就会在某个频率上满足回路增益A>1、正反馈的条件，造成闭环回路的不稳定。因此必须加入适当的校正环节，使闭环回路稳定工作。图5为在误差放大器的输入端加入校正网络，在误差放大器输入、输出之间加入校正网络构成比例积分有源校正电路的等效闭环回路。


  
图5 等效闭环控制回路

图6为闭环回路的幅频、相频特性示意图。由此图可知，在低频段，环路增益较高，有利于降低稳态误差，在高频段，环路增益降低，回路有充分的相位余量，有利于闭环回路稳定工作。闭环回路的相位余量为100°，因此闭环回路工作是非常稳定的。

3.3 低输出纹波电压设计

选用肖特基整流管，减小整流管反向恢复时间造成的输出纹波电压尖 峰；优化功率变压器结构设计，减小变压器初级漏感；采用合适的RC吸收网络，减小功率开关管的电压尖峰；采用两级LC滤波技术，合理选用输出滤波电感器、电容器，达到降低输出纹波电压的目的，使输出纹波电压典型值为10mV（峰峰值）。


  
图6 环路幅频和相频特性

3.4高转换效率设计

转换效率是混合集成DC/DC电源变换器长期高可靠工作的重要指标。在电路设计中，提高转换效率、减少热源热量的产生尤为重要。经合理设计开关频率，合理选用功率开关器件和整流二级管，精心设计功率开关器件的驱动脉冲上升沿时间，精心设计高频变压器的各绕组匝数和线径，采用电流互感器检测电流反馈信号实现过流保护，使转换效率达85％以上。

在大功率DC/DC电源模块中，采用电流互感器检测输入侧电流反馈信号实现过流保护，可减小电流检测电路的损耗，提高效率。图7为电流互感器检测电流反馈信号的电原理图。


  
图7 电流互感器检测电流反馈信号的电原理图