一种低压DC-DC升压电路的实现

摘要： 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_imin   D_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）。 [p]

　　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， 提高其可靠性， 而在低温的环境下， 对器件的温度级别进行适当的选择， 对电容、磁芯等器件在满足输出指标的低温特性问题上也进行适当的考虑， 确保电源的可靠工作。

　　（1） 功率元器件的降额设计。由设计公式计算出各元器件的实际要求数值， 按降额使用的要求选取元器件。

　　磁性元件的设计： 变压器和输出滤波电感是DC-DC变换器的主要发热源， 承载着很大的功率， 本电路变压器选用的EE55 型磁芯， 电感选用的4H399 型磁环。

　　整流管： 本电路输出电压高、电流较小， 选用高耐压的快恢复二极管。其具有很好的开关特性， 它的正向压降（U_F）随温度的升高而降低， 可方便的串、并联使用，可降低整流管的导通损耗， 有利于电路的效率。本电路输出电压为100V, 输出电流为10A.因此， 选用快恢复二极管DSEI2×61-12B.

　　开关管： 功率MOSFET 具有开关速度快、损耗低、驱动电流小、无二次击穿现象、过载能力强、抗干扰能力强等优点， 广泛应用于高频开关电源。当输入电压为低压19.2 时， 流过开关管的峰值电流取Ip≈72A; 输入电压为高压28.8V 时， 漏源电压UDS=2×28.8+U 尖峰（尖峰是变压器漏感产生的）。

　　（2） 热设计。只有减小热阻， 提高效率， 才能提高电路的可靠性。电路的发热元件主要是开关管、变压器、整流管和电感等， 设计方面采取的措施包括：

　　①在散热器上合理分布热源， 将上述元器件分开摆放；②功率器件与散热器的连接面均匀涂抹导热硅脂， 减少热阻， 增加热传导； ③ 进行热分析计算和热设计， 确定散热器的尺寸、风机风量的大小及风道的设计。

　　1.4 电路试验结果

　　通过对该DC-DC 搭试电路的反复试验和相关指标测试， 其结果基本满足设计要求。电路性能指标的测试数据见表2.该电路的主要不足之处在于变换电路和变压器的漏感处理不理想， 导致初级MOSFET 上承受的峰值电压太高， 输入电压为高压28.8V 时最大可达150~160V, 采用的RC 吸收电路发热严重功耗大， 同时电路的效率偏低， 需要对电路进一步的优化和改进。

表2 性能指标的测试数据

　　2 DC-DC 变换技术的现状和未来

　　目前， 电源系统需要的DC-DC 电源模块越来越多，对其性能要求越来越高。除去常规电性能指标以外， 对其体积要求越来越小， 功率密度、转换效率和可靠性要求越来越高。因此， 如何开发设计出更高功率密度、更高转换效率、更低成本、更高性能的DC-DC 转换器始终是电力电子技术工程师追求的目标。下面对当今国际顶级DC-DC 产品的实用技术、专利技术和普遍采用的特有技术作简要的介绍， 以供大家分享。

　　2.1 有源钳位技术

　　有源钳位技术是在开关变换器的功率开关管上并联钳位电路， 以抑制开关管上的电压应力， 同时又使变压器铁芯磁通自动复位， 提高磁芯的有效利用率。有源钳位技术历经三代， 且都申报了专利。

　　2.2 全桥移相ZVS 软开关技术

　　全桥移相ZVS 软开关技术， 从上世纪90 年代中期风靡中大功率开关电源领域。该电路拓扑及控制技术在MOSFET 开关速度还不太理想时， 对DC-DC 变换器效率的提升起了很大作用， 然而工程师们也为此付出了一定的代价。

　　2.3 同步整流技术

　　近年来， 同步整流技术发展迅猛， 衍生的复合电路拓扑形式丰富， 可应用于Buck、正激、反激、半桥、推挽、全桥等电路。第一家申请专利是美国， 它的电路为Buck 加上双组交互Forward 组合技术， 其产品可获得92%以上的转换效率； 第二家申请专利的也是美国， 它的电路为Buck 加上一组对称拓扑（半桥、推挽、全桥），其产品可获得93%的转换效率。

　　3 结束语

　　为适应电子产品快速向小型化、便携式发展， 要求开关电源的体积更小、效率更高。同时， 电源产品需要满足高功率密度、低压大电流、高动态性能、输出电压种类的多元化、热切换、可靠性、环保等更为苛刻的要求。据统计， DC-DC 电源占开关电源的市场份额已达30%以上， 占模块电源的比例更是高达90%以上， 目前市场上生产的DC-DC 电源产品比较少， 而且应用成熟的全桥移相ZVS 软开关技术比较适合于中大功率的开关电源领域， 对中小功率的DC-DC 电源领域不太适用，因此需要技术人员付出更多的努力和心血， 尽快地学习和掌握现代先进的DC-DC 变换技术， 增强技术能力，拓宽产品市场领域。