高可靠混合集成DC/DC变换器（5V/3A）的设计
1引言
随着武器系统的发展，电子设备趋向小型化，供电方式由集中供电向分布式供电发展，DC/DC变换器的需求越来越大，同时对可靠性提出了更高的要求。采用混合集成电路的形式既能使电路小型化又能达到高可靠性，是当今乃至今后高可靠DC/DC变换器的发展方向。
HB2805S15是输出电压5V电流3A的混合集成DC/DC变换器，采用厚膜工艺、磁隔离方式进行混合集成，封装形式与Interpoint公司的MHV系列相同。
2电路方案
2．1主要技术指标
HB2805S15的主要技术指标见表1。
表1主要技术指标 项目 参数指标 单位 输入电压范围 18～36 V 输出电压 5.0 V 输出电流 3 A 输出电压纹波 ≤50 mV 电压调整率 ≤0.15 ％ 负载调整率 ≤0.3 ％ 效率 ≥80 ％ 工作温度范围 －55～＋85 ℃ 2．2电路结构方案
DC/DC拓扑类型主要有：降压型(Buck)、升压型(Boost)、反相型(Buck－Boost)、反激型(Flyback)、正激型(Forward)和零电压（ZVS）零电流（ZCS）型。中小功率的DC/DC电源变换器一般采用单端正激型和双端推挽型的拓扑结构。
单端正激型结构简单，元器件少，双端推挽型是将两个单端正激型合并，变压器工作在第Ⅰ象限和第Ⅲ象限，提高了磁芯的利用率，消除了单端正激的不利因素。
反馈隔离方式有光电隔离和脉冲变压器隔离。光电耦合器受温度的影响大，频带窄；脉冲变压器隔离的温度稳定性好，可靠性高，频带宽，是高可靠DC/DC电源变换器优先采用的方式。
本电路采用双端推挽变压器隔离反馈式，原理图如图1。
图1双端推挽变压器隔离反馈原理图
图2推挽式变换器电路及其相关波形
2．3电路工作原理
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Q1，Q2在PWM控制器的控制下交替导通，将变压器的初级电流和电压传递到次级，经整流滤波后输出直流电压，调节Q1，Q2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：
VO=DVi(1)
式中：VO——输出电压，V；
Vi——输入电压，V；
D——整流管的占空比；
Np——变压器初级匝数，匝；
Ns——变压器次级匝数，匝。
3电路设计
3．1主要元器件
DC/DC变换器的主要元器件是脉宽调制器PWM、变压器、隔离反馈电路以及开关管和整流管。HB2805S15的PWM选用UC1825A，隔离放大器选用UC1901，变压器和电感选用TDK的PC40材料系列的罐型磁芯。
UC1825A是电压／电流型PWM控制器，输出峰值电流2A，开关频率可达到1MHz，误差放大器的单位增益带宽12MHz，具有逐个脉冲电流限制，软起动和最大占空比可设置，可用于双端推挽DC/DC变换器。
UC1901隔离放大器是一个脉冲幅度调制（AM）电路，它包括基准源、误差放大器、振荡器、乘法器，最高振荡频率5MHz。
PC40系列是TDK公司的产品，其导磁率高，高频损耗小。
3．2开关频率定时元件计算
开关频率高，元器件的开关损耗大，影响效率η；开关频率低不利于小型化，经过计算和实验，开关频率定为300kHz。UC1825A的定时元件电阻和电容由式（2）和（3）计算确定：
RT=(2)
CT=(3)
式中：RT——定时电阻，Ω；
CT——定时电容，F；
Dmax——最大占空比；
f——开关频率，Hz。
3．3元器件设计
（1）变压器的设计
变压器是DC/DC变换器的重要元件，主要技术参数是初次级匝数比(n=Np／Ns)和初次级的电感量（Lp，Ls）。变压器的初级匝数和次级匝数由下式得到：
Np≥(4)
Ns=(5)
式中：Vimax——最大输入电压，V；
Vimin——最小输入电压，V；
Bm——饱和磁通密度，T；
Ae——磁芯截面积，m2；
VF——整流管正向压降，V；
VO——输出电压，V。
（2）输出部分的设计
输出部分主要是输出电感L和输出电容C构成的LC低通网络，电感量和电容值由下式求得：
L≥(6)
式中：ΔIL——电感脉动电流（一般取值ΔIL=(10％
～25％）IOmax），A；
Dmin——最小占空比。
C≥（F）(7)
式中：ΔVOmax——输出最高纹波电压，V。
（3）开关管和整流管
开关管的最大电流IPmax由下式求得：
IPmax=(IOmax＋)＋IM(8)
式中：IM——励磁电流，A；
IOmax——变压器最大输出电流，A；
开关管耐压VB：
VB≥2Vi(9)
整流管的最大峰值电流IFM：
IFM≥IOmax＋(10)
整流管的反向截止电压VRR：
VRR≥2
即：VRR≥2Vimax(11)
本电路输出电压低电流大，选用肖特基整流管。
4可靠性设计
主要对电路中的功率元器件进行降额设计和版图的热设计。
4．1功率元器件的降额设计
由3．3节中的设计公式计算出各元器件的实际要求数值，按降额等级（Ⅰ级）选取元器件。
（1）磁性元件的设计
变压器和滤波电感是DC/DC变换器的主要发热源，承载着很大的功率，本电路选用TDK的PC40材料系列的罐型磁芯。
PC40材料的主要参数：
导磁率μ=2300
居里温度Tc≥215℃
饱和磁通密度Bs=5100Gas(25℃)
Bs=3900Gas(100℃)
电路设计中变压器磁通密度的实际取值是Bs=1600Gas，达到Ⅰ级降额标准。
（2）整流管
肖特基二极管是以多数载流子工作的整流器件，具有很好的开关特性，它的正向压降（VF）小，且随温度的升高而降低，可降低整流管导通损耗，有利于提高输出电压低时的电路效率。
本电路的输出电压5V，输出电流3A，因此选用肖特基10TQ045，它的最大电流（IFRM）10A，反向重复峰值电压（VRRM）45V，符合Ⅰ级降额标准。
（3）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，广泛地用于高频开关电源。
当输入电压为低压18V时，流过开关管的峰值电流取IP=3A；输入为最高电压36V时，源漏电压VDS=2×36＋V尖峰（V尖峰是由变压器漏感产生的）。
选用IRF630，最大漏极电流ID=9A，VDS耐压200V，符合Ⅰ级降额设计。
4．2版图的热设计
减小热阻，提高效率，电路的可靠性才能提高。电路的发热元器件主要是开关管(MOSFET)、变压器、整流管和电感等，设计上从三个方面采取了措施：
（1）在版图上合理分布热源，将以上元器件分开摆放；
（2）采用新工艺，减小热阻，开关管、整流管采用再流焊工艺，粗铝丝压焊，变压器、电感器和基片采用导热胶粘接；
本文关键字：暂无联系方式电工文摘，电工技术 - 电工文摘
