高可靠性与超宽环境温度的混合集成DC/DC变换器的设计

两种不同的电源工作方式比较情况如表7所示。

表7电流反馈单端正激式电源和电压反馈

推挽式电源的比较电流反馈单端正激式电源电压反馈推挽式电源元器件数少较多
工作频率提高容易（最高可大于800kHz）不容易（250kHz）
高低温稳定性很好一般
功率密度较高低
工作应力较小大
振荡过冲很小较大
过流保护自带外加
从表7的对比我们不难看出，电流反馈单端正激式的突出优点在于

1）高频率工作下的低应力；

2）同样功率的电源所用的元器件较少；

3）因为其为电流反馈式，使其先天地具有高、低温稳定性强于电压反馈式的优点。

此电源原理图如图2所示。

32关键元器件的选择

1）主电路1843的选择

一般似乎认为，只要是1843它都应当满足在全温度范围（－55℃～＋125℃）内的所有主要技术指标，如基准电压的稳定度，设定的振荡频率等，但在实际中往往不是这样。在占空比D=50％，脚6模拟负载R=75Ω，C=2200pF，R,C并联的实验条件下，振荡频率稳定度的实验结果如表8所示。

从表8我们不难看出以下几点：

——对3843来讲，高温参数的严重漂移应在情理之中，因为在此高温下其技术指标不能满足稳定度的要求，特别应该注意的是，同为UC3843，不同年份生产的同类产品其性能指标也存在巨大的差异。

——对1843来讲，不同生产厂家的产品，其振荡频率高温稳定性也同样存在较大的差异。这一点更应当引起各位同行，特别是军品生产单位同仁们的注意。在高温下基本振荡频率的严重漂移，所带来最直接的后果是不言而喻的。它已经严重破坏了电源本身的基本参数（主变压器的工作特性）使电源在高温下无法正常工作。

2）主变压器的磁芯选择

此电源的设计重点是使其在＋125℃高温中稳定可靠地工作。此电源的体积要求为30mm× 20mm×8mm，由于体积的限制所以主变压器磁芯的尺寸选择也不可能过大。因此以下二点应重点考虑。

——提高工作频率，此电源的工作频率设定为400kHz左右；

——优选主变压器磁芯，优选原则如下。

①饱和磁通密度Bs（mT）要高（>500）；

②剩磁Br（mT）要小（100）；

③居里点Qc（℃）要高（>200）；

④电阻率ρ（Ω·cm）要高（>600）；

⑤磁导率（通常大磁场下振幅磁导率或交直流叠加下增量磁导率）要适当地高（>2 000）；

⑥磁芯损耗Pc（mW/cm3）要小（600），最关键的是要求其具有负温度系数，以利于高温稳定工作。

众所周知在高频与高磁通密度下，磁芯总损耗Pc为

Pc=kfmBn（7）

式中：k——常数；

f——工作开关频率；

B——工作磁通密度；

n——指数，对于功率铁氧体材料，典型值为25；

m——指数，在f=10～100kHz时，应考虑涡流损耗，此时m=1.3，当频率提高到100kHz上时，m要增大。

由式（7）可见，提高工作磁通密度，磁芯损耗将以25次方增加引起变压器升温，因此变压器设计时，磁芯损耗限制值也限定了最高工作磁通密度。同时提高开关频率，磁芯损耗也要相应增加，所以在进行变压器设计时，磁芯损耗200mW/cm3是一个适宜的限制值。在规定的磁芯损耗下，提高工作频率必须相应降低工作磁通密度值。

3）磁芯的尺寸考虑

众所周知，磁芯有效截面积和窗口面积将直接影响变压器的传输功率。德国西门子公司列出了变压器最大传输功率P的表达式为

P=CfΔBJFCUSaSe（8）

式中：C—与变换器工作方式有关的常数，如推挽式C=1；单端正激式，C=0.71；单端反激式，C=0.61。

J—电流密度；

FCU—铜占因子；

Sa—窗口面积；

Se—磁芯有效载面积。

功率变压器磁芯形状应考虑大电流引出线及散热容易，对高频变压器还应考虑屏蔽，防止杂散磁场干扰。关于磁芯损耗（PC）与温升的关系，可用式（9）表示。

PC=ΔT/Rth（9）

式中:ΔT—磁芯温升；

Rth—热阻。

降低热阻可提高磁芯的功率承受能力；而热阻又近似地与磁芯表面积成反比。因此在磁芯形状设计中加大背部或外翼尺寸，将它变宽变薄，使暴露的铁氧体面积增大，可以降低热阻。

4）单端正激式开关电源变压器计算

单端正激式开关电源变压器与反激式开关电源变压器磁芯都是单向激磁，要求磁芯脉冲磁感应增量大。但是变压器初级工作次级也同时工作，因此，计算方法和步骤又与双极性开关电源变压器接近。

初级绕组匝数N1计算式为N1=×10－2(10)

式中：Vp1——变压器输入额定电压幅值，此电源标称电压值为27V；

ton——开关管导通时间，此电源设定为1μs；

ΔBm——脉冲磁感应增量，此电