28V转5V/30A高功率密度DC/DC变换器的设计

陈俊 金成 李聪芳

摘要：随着各种电子产品和电子设备的广泛使用，人们对其供电设备——开关电源也提出了各种新的要求，希望体积越来越小，重量越来越轻，性能越来越好、可靠性越来越高等。本文研究的目的是：设计一款工业标准1/4砖结构的高效率DC/DC模块电源，满足直流输入电压18V～36V转直流输出5V/30A的要求，本文主要对该电源进行了介绍。

关键词：DC/DC变换器，软开关技术，有源钳位，同步整流

1. 概述

近年来，随着建设节能环保社会要求、通讯领域应用电压越来越低，电流越来越大等等原因，促进了开关电源技术的不断发展，模块电源功率越做越大、效率越来越高、体积越来越小；而我公司目前主要采用的谐振复位变换技术在小功率产品中应用还好，但对于功率较大、输出低压大电流产品显得劣势明显，采用新的技术提升产品品质已经刻不容缓。

2. 设计原理

配备该产品的整机总线电压是28V，整机内部分仪表、电路的工作需要一个5V的电压，该产品的作用就是将28V的总线电压隔离转换成5V供整机内部的仪表、电路使用。该产品采用光耦隔离反馈、正激式有源嵌位加同步整流拓扑，将28V输入电压经过内部变压器转变成5V电压输出。通过误差反馈对输出电压进行稳定控制，滤波电路对输出纹波进行有效节制。

3. 研制目标

1.输入电压（范围）：28V（18V～36V）； 2.输出电压（范围）：5V

3.输出电流:30A； 4.输出功率：150W；

5.输入/输出隔离：隔离； 6.外形尺寸：57.91×36.83×12.7mm³

7.工作温度范围（T_C）：-55℃～+100℃。

4 电路设计

4.1.设计原理

该产品采用同步整流有源钳位正激式DC/DC的拓扑结构，由输入滤波电路、功率变换电路、整流滤波电路、PWM控制电路、取样和反馈稳压电路、辅助电源供电电路和保护电路。电路结构图如图1所示。

图1 电路结构图

设计原理简介,原理图见图2。

结合本次设计输出低电压大电流的特点，选用同步整流有源钳位正激式DC/DC的拓扑结构作为主回路结构形式。功率变换电路主要由开关变换电路和高频变压器构成，通过变换电路将输入端的能量传输到输出端，实现电压变换和输出电压调整的目的。设计中采用的同步整流有源钳位正激式DC/DC变换器电路以及平面变压器结构，整流滤波电路的作用是减小输出电压的纹波电压，从而减小DC/DC变换器对负载的影响。LC滤波电路作为本设计的输出滤波电路，反馈稳压电路是为了及时检测开关电源输出电压的变化，与基准电压进行比较，并将误差信号经光耦线性反馈至控制电路，通过控制电路予以调整，使电源工作在安全状态。保护电路主要有输入电压过欠压，输出电流过流、短路、热保护。输出过流、短路采用逐周和关断保护相结合的方法，确保了过流较高的精度和短路状况模块的安全性；本电路设计采用SG5025电压模式 PWM控制器，具备提供完成有源嵌位变换所需要的主副开关信号；提供前馈功能、逐周和短路、过温关断迟滞开通设计提高了产品安全性；自备内部供电电路，简化了外围设计；能够很好地满足设计要求

图2 电路原理图

4.2 主变换和同步整流电路设计

本设计采用正激有源钳位，主拓扑结构如图3所示，其工作原理是：当主开关管Q1导通时，输入电压Vin全部加在变压器励磁电感两端，变换器将能量通过变压器传输给负载，变压器磁芯正向励磁，此过程为功率传输过程；当主开关管Q1关断时，励磁电流对主开关管等效结电容进行充电，当漏极电压充到大于输入电压时，钳位管Q2的体二极管导通，随后栅极驱动信号接入，钳位管Q2导通，给嵌位电容C3充电，而主变压器初级线圈电压变成了- VinD/(1-D),反向励磁，励磁电流逐步减小直至为零，此时主开关漏极电压达到最大Vc3=Vin/(1-D),励磁电流反向继续对初级进行反向磁化，将励磁能量和变压器漏感储存能量送回电源，变压器将工作于一、三象限，扩大了变压器的有效利用，减少体积、铜损、漏感损耗；接着关断Q2，励磁电流不能突变，将对Q2结电容充电，对Q1结电容谐振放电，当Q1漏极电压被谐振到-VD时，体二极管导通，此时接入驱动信号完成主开关零电压开通，下一个周期开始。从以上简述工作过程。

图3同步整流有源钳位正激式变换器电路主拓扑图

4.3反馈稳压电路的设计

反馈电路的作用是：对经过同步整流和电感滤波之后的输出电压进行采样，与电压基准源的基准电压比较，得到一个反馈电压值，然后通过隔离光耦TLP181将此电压送入脉宽调制器与RAMP三角波前馈信号进行比较，得到脉宽随输入电压变化的PWM信号，通过调节占空比从而达到控制输出电压稳定的目的。本次设计采用图4所示的反馈稳压电路。

图4反馈稳压电路图

5 关键问题的解决

5.1高密度、高集成问题：

该产品内部有效空间仅有54.9mm×25mm×10mm，要集成电路图所示的所有原器件也是一个难度很大的问题，针对此，我们采用多层PCB板设计，下板采用2.5mm厚度铝质基板通过引脚进行连接组装，保证产品良好散热。同时内部元件均选用小尺寸封装形式，上下板组装位置偏差经过精确计量，经过两次版图的尺寸偏差修正，确定了PCB板和铝基板的加工尺寸以及各元件位置，制定了完善的组装工艺要求，制作该产品专用组装焊接模具，组装后的产品指标达到了要求，最终解决了产品高密度高集成的问题。

5.2国产化率问题：

排查国内生产成熟且具有一定质量保证的元器件生产厂家。我们对供应商进行调查评价，从试用其供货产品的质量、周期、经费、售后服务部态度和能力等各个方面进行了解，经过考察评价符合要求的供应商才能初步列入合格供应商名录。对合格供应商我们进行周期性考评，主要考评提供元器件合格率、供货周期、价格合理性等，以确保具有持续性质量保证能力。对供应商提供的元器件进行严格的进厂检验，检查供应的元器件是否符合相应的标准、技术文件的相关要求、规格的正确性、尺寸的符合性等。采购后，对供应商提供的产品进行质量追踪，随着适用年限做跟踪记录，可以更深层次了解该产品的质量情况，为我们提供进一步合作的可行性。该电源模块一共有53种元器件均来自国内，产品的国产化率为100%。

6 结语

该产品经检测和试用，各项技术性能指标满足用户使用要求，得到了用户认可。该产品已经开始批量运用，并推广到其它领域。

作者简介：陈俊（1982-），男，陕西西安人，工程师，主要研究方向为厚膜混合集成电路和DC/DC电源设计制造相关专业工作；

参考文献：[1](美)普利斯曼 著，王志强 译.开关电源设计[M].北京：电子工业出版社，2010

[2]方佩敏，张国华.最新集成电路应用指南[M]. 北京：电子工业出版社，1996

[3]王创社,乐开端,谭玉山,杜忠.开关电源两种控制模式的分析和比较[J].电力电子技术.1998,8:78～81.