高可靠DC/DC变换器模块设计

0 引言

目前，在高端电子设备领域，高等级的DC/DC电源模块主要还是依赖国外进口，因此，尽快实现高质量等级DC/DC电源模块国产化迫在眉睫。本文以一种质量等级为H级的DC/DC电源模块的设计为例，从电路、工艺等方面详细介绍了H级DC/DC电源模块的设计思想。

1 模块主要指标

该DC/DC电源模块是为整机配套使用的。其要求的输入电压为20～35V，输出电压为10～10.1V/10～10.2 V(－55℃～＋125CIC)、5～－5.1V/5～－5.2 V(一55℃～＋125℃)，负载调整率和电压调整率均小于1％，输出纹波电压小于40 Mv

2 电路设计

2.1 非平衡双路功率电压输出设计

在DC/DC变换器设计中，对于两路输出功率不相等的模块来说，其设计主要有两种方法：一是采用变压器绕组，并利用耦合电感和低压稳压电路进行二次稳压方法。二是采用变压器次级多绕组来分别输出两路相对独立的电压。其中方法一虽然可以提高电路的稳定度，保证输出电压的精度，但是会增加电路的损耗，因为二次稳压电路的输入和输出电压差越小，稳压电路功耗就越小，而该项目两路输出功率相差很大(分别为55W和2.5 W)，主路功率变化范围也较大。而若采用方法二，又由于反馈只能控制一路电压，所以只能有一路输出电压的精度得到保证，另一路电压只能靠变压器和滤波电感预稳，而主路输出功率变化较大又必然带来辅路变压器次级电压的较大变化，因而无法保证输出电压的精度。为此，本设计采用两路输出来分别独立地控制和反馈，这样既可以精确控制输出电压，又可以减小因二次稳压带来的损耗。

2.2变压器的设计

设计变压器时，应首先合理选择磁芯材料。磁芯材料需考虑的最主要因数是它在工作频率处的损耗和应用磁通密度。确定了模块工作频率后.即可根据制造商提供的手册确定材料的具体型号，然后查出模块在最恶劣使用环境条件下的磁通饱和密度，再由此确定使用最大磁通密度，以保证变压器始终不会工作在饱和点，提高模块的可靠性。

如果设定的工作频率为500 kHz，通过手册可以查到：TDK公司的PC40，PC95系列以及SIEMENS公司的N67系列都可以满足要求。确定了具体的磁芯型号、形状和尺寸后，便可以查到该型号在125℃时的磁通饱和密度Bs，然后根据降额设计选择最大磁通密度为0.2Bs，在确定BMAX后，就可以根据下式计算出变压器的原边匝数：

式中，Kf为波形系数(方波时为4)，为开关频率(Hz)；Ae是磁芯有效面积(m2)，BMAX为磁通密度(T)，Vi为输入电压(V)，Np为原边匝数。

由原边匝数便可计算出变压器的副边匝数：

式中，Np为副边匝数，ViIN为原边最小输人电压。由于和变压器相关的损耗主要有磁滞、涡流和电阻损耗。磁滞损耗与绕组的匝数有关。它决定了每个工作周期磁场力所作的功。该损耗可以由下式给出：

式中，Kh瓦为材料的磁滞损耗常数，Vc是磁芯体积，单位cm3，fSW为开关频率，单位为Hz，BMAX是最大工作磁通密度，单位T。

由(3)式所见，损耗与开关频率和工作磁通密度最大值的二次方成正比。因此，在设计时，应在优选具有高导磁率、高频损耗小的磁芯作变压器磁芯的前提下，还要合理设定BMAX，并通过合理设计匝数来减小变压器的磁滞损耗。

2.3反馈补偿电路的设计

众所周知，负反馈环是开关电源的核心部分，它保持输出电压的恒定主要是通过采用误差放大器来减小输出电压与理想参考电压的误差，从而实现这一功能的。由于实际应用中存在负载变化和输入电压变化，所以要求误差放大器对这些变化能有快速响应，并且不会因此产生振荡而造成整个系统的不稳定。

设计误差放大器补偿电路应遵循以下原则：首先在所有增益大于0dB的频率处，其闭环相位应不超过－360°，在实际设计中，一般选择小于300°；其次，闭环增益的穿越频率尽可能高，直流增益尽可能大，这样有利于提高系统的调节精度和瞬态响应；最后，闭环增益曲线的斜率应以－20Db/dec下降。

由于不同电源采用的控制方式不同，相应的补偿方式也不同，本文采用电流型控制方式，采用的补偿方式为极点一零点补偿。其电路如图1所示。这种补偿方法在直流处有一个极点，可通过提高误差放大器的开环增益来改善输出调节性能。在输出滤波器最低极点频率或以下处引入一个零点，可以补偿滤波器极点引起的相位滞后。

由于采用两路输出分别独立控制和反馈的电路比较复杂，组装密度较高，所以，引线之间、引线和元器件之间、引线与机壳之间的干扰必然增大；另外，该电路工作在开关状态，各单元电路之间因有脉动电流和噪声，因此容易通过电源内阻、引线等公共阻抗形成耦合噪声。

设计时首先可在电路中增设滤波环节来抑制耦合噪声，另外可在导线布局上尽量减小公共阻抗，合理设置接地点，并减小电源内阻来降低噪声，同时可将信号线与噪声源及流过脉动电流的引线分离，以减弱耦合噪声。

其次应在设计中尽可能降低噪声的产生。开关二极管反向恢复时间里引起的短路尖峰电流是造成模块噪声的主要原因。该设计时可采用反向恢复时间较快的肖特基二极管，并根据具体输出情况合理选型，适当降额设计也可较好的抑制噪声。对于高频变压器工作时产生的噪声，可在模块设计中采用去耦和屏蔽的方法来降低干扰。该模块的输出纹波峰峰值小于40 mV。