基于Buck拓扑结构的DC-DC变换器设计

李鑫彪，张 雷

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

1 引 言

DC-DC 变换器一般可按功率管在电路中的状态分为线性型变换器和开关型变换器。线性型变换器中功率管一般工作在放大状态，其输入电压值始终要比输出电压值高，因此，只能应用于降压结构。且由于压差的存在，线性变换器的效率偏低，限制了器件的应用范围。开关型变换器又称开关型电源，其中串联的功率管不是工作在放大状态，而是工作在开关状态，令器件要么工作在完全导通状态，要么工作在完全关断状态，且其损耗很小，现代开关型变换器的效率一般为75%~95%,有些变换器功率密度可高达200W/in3（即12.2W/cm3）以上[1-3]。由于具有线性型变换器无法企及的特性，开关型变换器已成为近年来研究的热点。

2 设计需求

某监控系统核心控制板，由于使用了多电压供电的FPGA、ARM 器件，在设计电源系统时，要求变换器的额定输入电压为4.5~5.5V,最大输出电流5A,输出电压0.8~3.6V 可调，转换效率不低于91%，输出电压温漂在±1.5%以内，线性、负载调整变化范围不大于40mV，纹波不大于40mVpp。此外，还要包括自动跟踪功能、使能/禁止控制、过压、过流以及过温保护等功能。当模块发生故障时，会触发保护功能。

自动跟踪功能是指在变换器开启和关闭的过程中，变换器的输出电压可以相互跟踪，也可以全部跟踪任何外部电压。依托这一特性，在一个电源系统中，对供电电源时序安排的任务可被简化。

使能/禁止控制功能是指通过向变换器发送使能/禁止信号，控制变换器工作与否。当使能端高于2.0V 或悬空时，变换器开始工作，输出设定的输出电压；当使能端低于0.7V 时，变换器停止工作，输出电压为“0”。

3 整体方案设计

3.1 拓扑结构设计

根据设计需求，所设计变换器采用典型的Buck降压拓扑结构，模块中核心器件为PWM 控制器、开关器件、储能电感和输入、输出滤波电容等。利用电感作为储能元件，保证输入电压关断后仍可持续向负载端输出能量。为得到高的转换效率，应采取一定措施降低功率器件的损耗。Buck 降压拓扑结构的功能框图如图1所示。

图1 Buck 降压拓扑结构功能框图

工作时，通过对变换器的输出电压进行采样，并与误差放大器的输入基准电压Vref进行比较，比较后的结果作为后续脉宽调制比较器的输入，再与锯齿波Vt进行比较后形成PWM 波形。通过调整输出PWM 波形的占空比，控制开关管Q1及续流二极管D1的导通或关断。当Q1导通、D1关断时，电能一部分向负载输出，一部分储存在储能电感中；当Q1关断、D1导通时，储能电感中的能量向外释放，从而将供电母线的电压稳定在设定的输出值上。输出滤波电容Co起平滑输出电压、降低输出纹波的作用。

为实现设计需求中的转换效率不小于91%，在设计中采用同步整流技术，用开关管替代图1 中的续流二极管D1，可减小由二极管的导通压降所造成的损耗，进一步提升转换效率[4-5]。

3.2 硬件电路设计

根据设计需求及电路拓扑结构特点，本设计选用以LM27403 为变换器的PWM 控制芯片。该芯片是TI 公司生产的一款具备同步整流功能的PWM 控制器。其输入电压范围为3~20V，开关频率从200kHz 到1.2MHz 可选，效率高达97%，具有7%的死区时间，可防止上下两只开关管同时导通而造成短路。该芯片参考电压为0.6V，可保证0.8V 的最小输出电压值。其内部功能结构如图2所示。

图2 LM27403 内部功能框图

所选的开关管Q1和Q2的最大输入电压可达27V,最大输出电流可达20A,导通电阻在3.6mΩ 左右，最大开关频率为1.5MHz,满足设计需求。在综合考虑效率及模块大小的基础上，本设计选用700kHz作为系统的开关频率。

设计电路的原理图如图3所示。其中，Rfb1和Rfb2为输出电压的分压电阻，对输出电压分压后接到LM27403 的电压比较器中，与参考电压进行比较，控制PWM 的占空比，从而调节输出电压；Rfadj为PWM频率的调节电阻，通过选取不同的阻值，可改变变换器的开关频率；Ruv1和Ruv2为输入电压的分压电阻，用于欠电压、过电压和使能/禁止端的控制；Rotp用于设定过温保护的温度节点，改变其阻值，可设定不同的过温保护点；Rup为模块状态位的上拉电阻，当模块正常时LM27403 的11 脚输出高电平，出现异常时11 脚输出低电平；Rvin和Cvin组成输入端的RC 滤波器，可更好地抑制输入端噪声；Cin 为滤波电容，用于减小变换器对输入电源的干扰；D1和Cboot用于构建自举电路，调高开关管栅极电压，改善模块效率；Q1和Q2为开关管，其开关状态互为反相，控制器提供一定的死区时间，确保两个开关管不能同时导通；Rs、Rcs、Riset、Cs、Ccs用于过流保护的功能，通过检测电感两端的电压差，控制模块的运行，防止变换器出现过电流而损坏。Qt为温度检测器件，依据温度对PN 结导通压降影响的特性曲线关系，通过检测PN 结电压，从而确定变换器的温度；Rc1、Cc1、Cc2、Rc2、Cc3为3 型运算放大器的补偿网络，用于保证闭环系统的稳定[6-7]。

图3所设计电路的原理图

4 软件仿真

为了确保硬件设计的正确性，对本设计变换器进行软件仿真。

图4 为本设计的开环幅频和相频曲线。由采样定理可知，当穿越频率小于开关频率的一半时，一般是小于开关频率的1/6 时，系统具有较大带宽，可在负载或电网瞬间突变时获得快速响应[8]。由图4 中Loop Gain 曲线可知，系统穿越频率为86kHz，小于1/6 的开关频率，满足系统动态特性的设计要求。由图4 中Loop Phase 曲线可知，该变换器系统具有40°的相位裕度。一般相位裕度在45°左右时，系统稳定性较好，超调/下冲最小。因此，电路设计的稳定性良好。

图4 开环幅频和相频曲线

图5 为本设计变换器的效率及损耗曲线图。由曲线可知，在额定输出电流为5A 的情况下，开关管及电感的损耗较小，变换器的转换效率可大于95%以上。由于仿真分析的局限性，以及元器件的差异性，实测的变换器转换效率要小于95%。通过对大量样块的测量，转换效率一般在93%左右。

图5 效率及损耗曲线图

5 结束语

本设计的变换器具有欠压、过压、过流、过温、电压跟踪、使能/禁止等多种功能，具有功率密度大、调整率好、效率高、纹波小、输出电压可调等特点，可广泛应用于多电源以及对电源上电有时序要求的系统当中。本变换器已经得到了实际的工程验证，具有良好的工程应用价值，可在电子应用的其他领域推广。