基于PWM电流型DC/DC变换器的研究

1 引言

　　电源是一切设备的核心，重要性犹如人体的心脏，但是电源却有许多形式。电源的参数一般有电压，功率，负载电流，噪声以及在负载动态情况下各个参数的变化等等，在同一个参数下面，又有重量、体积、效率、可靠度等指标，因此电源的形式是极其多的。通常的电力（市电）需要经过转换才可以变成我们各种设备所需要的，例如：交流变成直流，高电压变为低电压，低频变为高频等等。其实变换的过程就是我们通过一定的手段获得我们需要的电源形式。

　　按业界的称呼，AC-DC（AC转换成DC,AC为交流，DC为直流）称为整流，包括整流和离线式变换；DC-AC称为逆变，AC-AC称为交流-交流变频（同时伴随变电压），DC-DC称为直流-直流变换。我们可以采用多种方式达到转换的目的，目前主要是以半导体器件来实现变换。通常来说，凡是采用半导体功率器件作为开关，将一种电源形式转换成另一种电源形式的电路我们都称为开关变换器电路。只要转换时使用了自动闭环稳定输出并带有保护功能则称为开关电源。开关电源主要组成就是DC-DC变换器，它是转换的核心，和频率有关，而且DC-DC变换所达到的频率是最高的。我们经常听到离线式开关变换器，其实它就是AC-DC变换，也有人称它为开关整流器，但它不是单纯意义上的整流，而是整流后又做了DC-DC变换。

　　2 高频电流型脉宽控制器 UC3825B

　　UC3825B 是高性能脉宽控制器.该控制器包含精确的电压基准、微功率启动电路、软启动、高频振荡器、宽带误带放大器、快速电流限制比较器、双脉冲抑制逻辑和双图腾柱输出驱动器。信号经过电流限制和比较器，逻辑和输出驱动器，具有很短的传输延时。

　　UC3825B 具有以下特点：适用于电压型或电流型开关电源电路；实际开关频率可达1MHz以上；输出脉冲最大传输延迟时间为50ns;具有两路大电流推拉式输出，峰值电流为2A,;具有软启动控制；具有逐脉冲限流比较器；具有全周期再启动的封锁式过流比较器；启动电流很小--典型值为100mA;在欠压锁定期间，输出低电平及空载电流可降低到启动电流值。

　　3 1MHz 电流型 PWM DC/DC变换器

　　3.1 主要技术参数

　　输出电压：36V±3V

　　开关频率：1MHz

　　输出电压：5V

　　输出电流：20A

　　额定输出功率：100W

　　效率：86%

　　3.2 电路原理框图

　　图1为该1MHz 电流型 PWM DC/DC变换器的原理框图；变换器的主电路原理见图2.电流型控制电路以 UC3825B 为核心，开关频率为1MHz;变换器采用推挽式[3]主电路 ;同步整流采用功率 MOSFET 可控整流电路；辅助电流由电阻和12V稳压管组成（也可采用自举电路），为 UC3825B 提供+12V 电源；电流采样是取变压器初级串联电阻上的电压（见图2中电阻R）。 [p]

　　3.3 UC3825B 的限流和占空比控制

　　变压器初级电流流过取样电阻R后，在R两端产生正比于初级电流的电压，该电压经 RC 滤波加到 UC3825B 的9脚，从而实现逐周限流。正常工作状态下，UC3825的9脚输入电压必须低于1V 门限电压。9脚输入电压超过1V时，脉宽将随之变窄。当9脚输入电压超过1.4V时，输出电流中断，并且 UC3825B 开始软启动程序。

　　利用斜坡 RAMP 脚（7脚）输入信号， UC3825B 可以实现电流型控制或常规的占空比控制。当该脚接定时电容器时，UC3825B 可以实现占空比控制。当 RAMP 脚接电流取样电阻时，UC3825B 可以实现电流型控制。在这种应用电路中，初级电流波形经过很小的RC滤波网络后，产生斜坡波形。RC网络的作用是斜率补偿。该输入信号的动态范围为1.3V,通常用来产生 PWM 斜率补偿。

　　3.4 同步整流电路

　　过去低电压输出的 DC/DC 开关变换器采用肖特基二级管作为同步整流管，其正向压降约为0.4 ~0.65V,低电压、大电流时通态功耗很大。因功率MOSFET管的正向压降很小，所以用功率MOSFET管作为输出的整流管。与肖特基二极管相比，用功率 MOSFET 管的优点除了正向压降很小外，还有阻断电压高，反向电流小等优点。图2所示为输出全波同步整流电路。功率MOSFET管VT1、VT2为两个整流管（VD1、VD2分别为VT1、VT2内部反并联二极管）。当变压器次级绕组同名端为正时，VT2、VD2同时导通，VT1、VD1阻断 ,在L1续流期间，VT1、VT2截止，VD1、VD2同时导通续流；反之，当变压器次级绕组同名端为负时，VT1、VD1同时导通，VT2、VD2阻断，在 L1续流期间，VT1、VT2截止，VD1、VD2同时导通续流。

　　采取此功率 MOSFET 管整流电路，可以大大提高整流效率。输出+5V/20A,采取导通电阻10mΩ的功率 MOSFET 管，则导通损耗为：

　　PON=10mΩ×（20A）2=4×103mW=4w

　　如果采取肖特基二极管整流电路，肖特基二极管的导通压降取0.6V,则导通损耗为：

　　PON=0.6V×20A=12w

　　可见仅整流管损耗就减小8W,效率约能提高6%.

　　3.5 变压器的制造

　　初级绕组 N2与次级绕组 N4之间具有较紧密的耦合；而初级绕组 N1到初级绕组 N2之间的耦合不很严格。

　　3.6 高频设计

　　需要特别注意外部导体和元件的布置，减小不必要的电感和电容影响。所有的导线长度必须尽可能地短。印制电路板应仔细地布置元件及其连接。功率 MOSFET 管栅极的电阻应选碳成分的电阻，以降低串联电感。

　　4 结论

　　利用高频电流型 PWM 控制器 UC3825B 研制的100W、1MHz 电流型 DC/DC 变换器在设计上完全满足指标要求；并且，由于采用功率 MOSFET 管全波同步整流电路，使效率高达86%;这也表明电流型控制具有许多优势。