一种低压DC-DC升压电路的实现

针对某些特殊场合下需要的低压直流输入、高压直流输出供电设备， 提出了一种采用双端推挽变化原理实现的低压DC-DC 升压变换的电路， 并给出了具体的方案和电路设计。对具体电路元器件的选型， 电路参数的计算， 电路的可靠性分析及对其性能指标都进行了优化设计。最后结合当今国际低压DC-DC 变换技术现状， 对未来电源技术的做出了一些探讨。

　　0 引言

　　随着电力电子技术的飞速发展， 开关电源技术也同步得到提高， 现在它已经基本取代线性稳压电源， 成为目前最为广泛使用的直流稳压电源， 这主要是由它的优越性能所决定的。开关稳压电源主要包括AC-DC 和DC-DC 两部分。

　　本文主要研究低压DC-DC 升压变换电路， 虽然没有低压大电流的DC-DC 变换器应用那么广泛， 但由于市场上成熟的DC-DC 电源模块产品几乎没有涉足48V以上输出电压领域， 在某些特殊的应用场合， 要求低压直流输入、高压直流输出（大于48V 电源模块输出电压调节的上限值）， 如只有电池供电或直流电机供电的车载设备以及部分短波、中长波发射机系统的功放用电等， 还是有其发挥作用的空间。

　　1 低压DC-DC 升压电路

　　本文介绍的低压DC-DC 升压电路是某小型化电源产品的局部电路， 由于该电路要求特殊， 没有可以借鉴的经验和数据， 为此查阅了相关的技术资料并进行了大量的电路试验。

　　1.1 主要技术指标与工作原理

　　（1） 主要技术指标见表1。

表1 主要技术指标

　　（2） 工作原理。本电源采用的双端推挽电路， 是两个单端正激型的合并， 其变压器工作在第Ⅰ、Ⅲ象限，提高了磁芯的利用率， 其原理框图如图1 所示。

　　双端推挽DC-DC 变换器的基本电路结构及其工作波形如图2 所示。开关管VT1、VT2 在PWM 控制器的控制下交替导通， 将变压器的初级电压和电流传递到次级， 经整流滤波后输出直流电压， 调节VT1、VT2 的导通/截止时间， 可改变输出电压。双端推挽DC-DC 变换器的输出电压可表示为：

　　U₀=DU_iN_s/N_p

　　式中： U₀─输出电压（V）； U_i─ 输入电压（V）； D─整流管的占空比； N_p─变压器初级匝数（匝）； N_s─变压器次级匝数（匝）。

1.2 电路参数设计

　　（1） 主要元器件的选用。该DC-DC 变换器的主要元器件是脉宽调制PWM 芯片、变压器、输出滤波电感、开关管和整流管。根据本电路的特点和电源的输出要求， PWM 芯片选用的UC2825A, 变压器选用的EE55 磁芯， 输出滤波电感选用的4H399 磁环， 开关管选用的IXFN180N20, 整流管选用的DSEI2×61-12B。

　　（2） 电路参数的计算。UC2825A 是电压/电流型PWM 控制器， 输出峰值电流为2A, 开关频率可达1MHz, 误差放大器的单位增益带宽为12MHz, 具有逐个脉冲电流限制、软启动和最大占空比可设置等特点，可用于双端推挽DC-DC 变换器。其外围参数的合理选取和设计， 是保证本电路实现的关键。

　　开关频率高， 元器件的开关损耗大， 影响效率； 开关频率低， 不利于小型化。经过计算和试验， 开关频率定为25kHz, UC2825A 的频率设置用定时元件电阻和电容分别由下式确定：

　　R_t=3V/10（1-D_max）；Ct=1.6D_max/Rtf

　　式中： R_t─ 定时电阻（Ω）； Ct─定时电容（F）； D_max─ 最大占空比； f─ 开关频率（Hz）。

　　（3） 变压器设计。变压器是DC-DC 变换的重要元件， 主要技术参数是初次级匝数比（n=N_p/N_s） 和初次级的电感量（L_p, L_s）。变压器的初级匝数和次级匝数分别为：

　　N_p≥U_imaxD_max/2 B_mA_e

　　N_s= （U₀+U_F） N_p/U_iminD_max

　　式中： U_imax─最大输入电压（V）； U_imin─ 最小输入电压（V）； B_m─ 饱和磁通密度（T）； A_e─磁芯截面积（m²）；U_F─整流管正向压降（V）； U₀─ 输出电压（V）。

　　输出部分的设计。输出部分主要是输出滤波电感L和输出电容C 构成的LC 低通网络， 电感量和电容值：

　　L≥（U₀+U_F（1-D_min））/△L_L

　　C≥△L_L/8fU_0max

　　式中： △L_L─电感脉动电流， 一般取值△L_L= （10%~25%; I_0max（A）； D_min─最小占空比； U_0max─输出最大纹波电压（V）。

　　（4） 开关管和整流管的选取。开关管的最大电流I_pmax由下式求得：

　　I_pmax=（I_0max+△L_L/2） +I_MN_p/N_s

　　式中： I_M─励磁电流（A）； I_0max─ 变压器最大输出电流（A）。开关管耐压为： U_B≥2U_i.整流管的最大峰值电流I_FM为： I_FM≥I_omax+△L_L/2.整流管的反向截止电压U_RRM≥2U_imax。

　　1.3 可靠性设计

可靠性设计主要是对电路中的功率元器件进行降额设计和热设计。降额设计可参照产品使用手册， 保证其参数的合理应用， 如电压、电流参数的选用留有一定的余量， 这对可靠性指标的保证有很大好处； 热设计可在设计过程中应用合理有效的措施使电源的温升降至最低