DOE在DC-DC电路优化中的应用

钱　波,肖　正,王　琰,郝长征,王文超（河南许继仪表有限公司,河南　许昌　461000）

DOE在DC-DC电路优化中的应用

钱波,肖正,王琰,郝长征,王文超
（河南许继仪表有限公司,河南许昌461000）

摘要：DC-DC模块在应用时，经常会遇到电磁干扰（EMI）和带负载能力等诸多问题；解决上述问题需要进行大量的相关实验，通过不断改变电路参数来优化电路性能使其达到所需要求，但是传统的实验方法有效率低实验量大的缺点。本文采用DOE（实验设计，Designof Experiment）的方法对产品上DC-DC电路参数进行实验；经过带载能力和电磁传导试验，结果表明DOE能很好的应用于电路的参数选取，使电路相关性能达到最优。

关键词：DC-DC模块;DOE;电路参数

简易DC-DC电路由于成本低被广泛应用，在对安全要求较高的场合，需要在上述电路中增加隔离线圈以满足耐压隔离要求。

但是增加隔离线圈后，DC-DC电路会产生EMI、带负载能力变化等问题，解决此问题需要进行大量的实验，并且所选取参数并非最优。为简化电路关键参数的设计过程，本文介绍了DOE的方法[1]，通过实验及因子分析，选取最优电路参数，经过带载能力测试和电磁传导实验，结果与DOE的理论分析相符合，证实此方法能很好的应用于电路参数的优化。

1　含耐压隔离功能的简易DC-DC电路

1.1电路基本原理

含隔离线圈的简易DC-DC电路如图1所示，其中U4及R11、C10等器件组成振荡发生电路，输出占空比约50%的矩形波，其振荡频率计算参见公式（1）。

矩形波经过整形电路之后驱动开关管Q5动作；Q5、R47为基本的开关电路；每个开关周期中Q5导通时，T1一次侧的能量就通过隔离线圈传递到二次侧线圈并经过D19的整流和电容的稳压，将传递的能量变为直流电压；Q5截止时，T1一次侧线圈产生的反电动势能量其中一部分被R44、D33、C11组成的幅值削弱电路吸收，另外一部分经过线圈传递到二次侧。整个电路就在Q5持续周期性的开关动作过程中通过隔离线圈将+5V的能量传递到二次侧。

图1　具有隔离耐压功能的DC-DC电路

1.2影响性能的关键参数及未进行优化前的电路性能

图1所示电路是在正激开关电路基础上简化而来，具有成本低、结构简单等特点，其关键参数有决定频率的R11、C10；影响传递能量效率的隔离线圈T1以及影响输出频谱特性和带负载能力的C20、C21。上述参数中，R11、C10改变其中一个即可影响频率特性；线圈T1具有磁芯材料和特性、开气隙方式、初次级绕线匝数比、绕线方式等参数，并且重新设计线圈参数周期长、成本低；因此为简化电路的参数优化过程，不考虑对T1参数进行更改，只对上述参数中的工作频率、C20、C21进行优化。

未采用DOE对本电路进行参数优化之前，由于无反馈回路、无法确定C20、C21对电路的定量影响等因素，导致电路自身的两个性能表现不佳-电磁传导幅值及带负载能力。

图2所示为电路进行降频前的电磁传导[2]实验结果，从图中可以看出在低频段准峰值超标，并且峰值点比较规律，经过计算为电路工作频率的倍频点。此问题可以通过降低电路工作频率解决，即降低工作频率后，倍频点会整体左移，且倍频频率越高，对应幅值越小。在采取降频措施后带负载能力受到C20、C21影响，且影响程度无法定量估算；如果参数选取不当，就会造成带载能力严重下降，无法满足后级电路的需求。因此引入DOE对电路参数进行优化。

图2　降频前电磁传导幅值

2　引入DOE对电路参数进行优化

2.1DOE简介

DOE（实验设计）是以概率论与数理统计为理论基础，科学地制定实验方案以便对实验数据进行有效的统计分析的数学理论和方法；它可以同时研究多个输入因素对输出的影响，确定影响结果的关键因素及参数最优的取值方法[3]。

DOE用途广泛，它可以优化制造过程的主要影响变量及其影响；前文所述影响脉宽的三个参数将通过DOE来筛选、确定关键参数及定量分析其影响。

2.2DOE实验设计及数据

DOE实验的种类分为全因子实验设计、部分因子实验设计及田口实验设计[4]。与传统的试错法和OFAT方法相比，DOE可以明确研究方向，避免盲目实验造成的浪费。

本次实验首先对电路的工作频率进行降频，待电磁传导幅值满足要求后再考虑常温下C20、C21对带负载能力的影响。原有频率参数R11=2.2k、C10=2.2nf，根据公式（1）计算对应的工作频率约为93.9kHz，修改C10容值为C10=4.7nf，工作频率降至约为43.9kHz，进行电磁传导测试，其结果如图3。所示。即采取降频措施后，电磁传导性能有所改善，但是频率的改变对输出带负载能力影响较大，经过测量其带80mA阻性负载时对应输出电Vout=3.9V，不能满足带80mA阻性负载条件下Vout＞4.2V的要求，因此需要对C20、C21进行进行2因素2水平的全因子实验[5]对电路的带负载能力进行优化。

图3　降频后电磁传导幅值

实验时因子对应的高低水平[6]可根据电路的参数进行粗略估算，确保所选取的高低水平不会使电路工作在异常状态，如电容容值选取过大会导致电路的整体功耗增加，容值选取过小不利于捕捉到最优值。设定的C20、C21高低水平如表1所示。

表1　实验因子对应的高低水平

表2　全因子实验数据

2.3基于Minitab的DOE分析

获取上述实验数据后，通过功能强大的Minitаb软件[7]对数据进行分析；软件设置为2因子的全因子实验，设置好其它分析参数后，开始对输出电压的正态图及柏拉图进行分析，如图5所示。

正态图和柏拉图[8]显示主因子C20、C21及交互因子C20*C21对输出电压均有影响，且影响程度相当，因此不再对因子进行削减，而直接分析输出电压的主效应图，如图6所示。主效应图显示两个因子对输出电压的影响均为负向影响，即随着因子容值的增加，输出电压呈下降的趋势；两个因子对输电压的影响程度也相当，这与正态图和柏拉图反映出的信息一致。

因子C20、C21的交互作用图[8]如图7所示，它反映出两个因子有较强的交互作用，即C20*C21对输出影响较大。

图4　输出电压的正态图

图5　输出电压的柏拉图

图6　主效应图

图7　交互作用图

通过分析两个因子的等值线图和曲面图如图8所示，可以直观的看出在所选取因子的正负水平范围内，Vout的变化趋势；等值线图和曲面图均显示在所选取容值的最小点处，对应的Vout取值最大。

通过响应优化器可以得到本组实验的最优解；如图9所示为响应优化得到的最优值：C20=560pf,C21=2200pf，即最优解刚好落在选取的两个因子的负水平点上。

3　测试结果

采用上述优化参数C20=560pf、C21=2200pf对DC-DC电路在常温、高温、低温条件下分别进行带负载能力测试如表3所示。从表中看出采取优化参数后，DC-DC电路在全温度范围内的带80mA阻性负载时Vout均大于4.2V，满足后级电路要求。

图8　C20　C21对应的等值线图及曲面图

表3　高低温条件下带载能力数据

图9　最优解

4　结语

通过DOE和Minitаb分析，对DC-DC电路参数进行优化，实验结果表明DOE能很好的应用于电路参数的选取，具有很强的实用性。

参考文献:

[1]倪计民,杜倩颖,周英杰,刘疆,杨挺然.DoE在高压共轨柴油机优化设计中的应用[J].内燃机学报,2009,27(03):231-236.

[2]陈庆彬,陈为.开关电源中变压器共模传导噪声抑制能力的评估方法[J].中国电机工程学报,2012(18).

[3]欧俭华.QFD与DOE集成应用研究[D].昆明:昆明理工大学,2011.

[4]何桢,潘越,刘子先,张生虎.因子实验、RMS与田口方法的比较研究[J].机械设计,1999(10):01-04.

[5]林航,华学明,马晓丽,王飞,吴毅雄.DOE方法在焊接工艺研究中的应用现状[J].焊接,2008(09):09-12.

[6]明嘉.6Sigma在无铅SMT制造过程质量改善中的应用[D].上海:上海交通大学,2008.

[7]毛君,尹航,崔闯,王铁雷.基于Minitab确定最佳参数的实验设计[J].煤矿机械,2008(08):14-16.

[8]周泳全,刘白,张磊明,姜家吉.基于MinitabDOE的注射颜色和光泽度的成型参数优化[J].塑料工业,2009(08):37-40.

作者简介：钱波(1984-)，男，研究生，研究方向：用电信息采集系统终端类产品开发。