一款可替代XXX系列300 W的DC/DC变换器设计

陈 俊，陈 瑜，乔 欢，温博超

（陕西华经微电子股份有限公司 微电路事业部，陕西 西安 710065）

1 概 述

近年来随着军工领域的拓展，人们对高性能、小体积及高功率密度的DC/DC变换器的需求日益增长，国外某XXX系列电源产品凭借性能优良、可靠性高以及适用范围广等优势在国内得到广泛应用。但用户在使用中发现该系列产品出现问题时无法追踪，而且成本高、采购困难，尤其军用产品甚至有可能被禁运。基于此，陕西华经微电子股份有限公司自主立项研发了高功率密度新型DC/DC变换器模块，以打破封锁，保障供应。该模块在体积和电性能上同国外某款XXX电源相当，并且优于国内同型号产品。

2 300 W DC/DC变换器技术性能指标

300 W DC/DC变换器技术性能指标如表1所示。

表1 300 W DC/DC变换器技术性能指标

3 300 W DC/DC变换器设计

该产品采用同步整流有源钳位正激式DC/DC的拓扑结构，为了防止高端输入时同步整流的MOSFET栅极上的电压过高，改用从二次绕组中增加驱动绕组的方式。该方式可以有效调节驱动同步整流的MOSFET栅极电压，使MOSFET栅极电压处在合理区域，从而保护了MOSFET，提高了电源的可靠性。采用光耦隔离反馈，将输入电压经过内部变压器转变成28 V电压输出，通过误差反馈对输出电压进行稳定控制，通过滤波电路对输出纹波进行有效调节。

根据XXX系列电源MCOTS28的主要技术性能指标和成熟工艺以及电源设计的经验，经过周密思考并查阅大量有关资料，结合电路原理和体积的要求，采用平面变压器多层PCB板扣磁技术。多层印制板集成在一起，线圈距离更小、散热面积更大、漏感小、直流电阻小且分布电容也较小，提高了功率密度和产品效率，更适合批量生产。

采用辅助绕组驱动方案，与副边绕组直接驱动方案相比，同步管的损耗减小了，效率得到提高。当输出中高压时，副边绕组电压较高，如果直接驱动同步管就会导致同步管的门极损坏。电路原理如图1所示。

图1 电路原理图

3.1 输出短路保护设计

该模块电源的输出短路保护电路由电流互感器和取样分压电阻来实现。电流互感器的作用是将功率开关管上的电流转换为电压信号，输入IC2的引脚3，限制截止调制器脉宽，对电源起到保护作用。电流互感器的功率为纯功耗，因此初级匝数较少，内阻较小。本次设计选用初、次级匝比为1∶100的电流互感器。LM5025A提供两种电流保护模式，即逐周保护和打嗝保护。

逐周保护是电流取样信号逐周关断驱动输出，即提前关断每一周期，减小功率MOSFET的导通时间，实现了限流保护，是一种峰值电流控制方式。限流保护后输出电压会掉一些，但是电源仍有输出，适合短期轻过载不断输出的工作模式。

打嗝保护是一旦检测到输出存在严重过流和短路现象便会关断电路输出若干时间，然后通过软启动来重新启动电路，如果过流现象依然存在，则继续关断电路输出。由于打嗝保护限制的时间更长，会关掉若干周期，因此出现持续严重过流的情况时可以显著减小输入平均电流，减少过流时的芯片和电路元器件损耗，从而大大降低了电源模块在负载严重过载和短路时的热应力。在过流期间，DC/DC变换器输出电压几乎为零，可以有效防止严重过载和短路对模块造成的伤害，也避免了负载故障的进一步扩大，在过流现象消除后可以自恢复。

本次设计利用了双模式，将反馈信号同时接到LM5025A的3脚和4脚,轻过载条件下触发逐周保护模式，严重过载时触发打嗝保护模式，通过调节所接电阻的值来严格控制保护的程度，从而实现对DC/DC变换器更好的保护。

3.2 功率变压器设计

变压器磁芯需要通过DC/DC变换器的传输功率来选择，本设计中输出功率P0为300 W，根据以往的经验，选择磁芯材料型号为RM2.3KD，磁芯的AP值可以使用AP法来进行计算：

式中，Aw为磁芯的有效窗口面积，单位为cm2；Ae为磁芯的有效截面积，单位为cm2；ΔB为磁通密度变化量，取0.22 T；P0为输出功率，取300 W；fT为变压器工作频率，取220 kHz；K为系数，取0.014。

由TDK手册可知，PC44磁材的EE22磁芯AP=Aw×Ae=0.79 cm2×0.38 cm2≈ 0.3 cm4，可以满足输出功率和体积的要求。

变压器初级绕组的匝数可以由法拉第电磁感应定律计算：

取整数3匝。

次级匝数计算根据正激式工作原理，输入电压和输出电压的关系为：

则次级匝数为：

取整数8匝。

3.3 钳位电容设计

钳位电容值的选取原则是：由钳位电容CCL和变压器的励磁电感所组成的谐振电路的时间常数比主开关管关断时的最长时间还要再长一些。考虑裕量设计，一般选取二者之间存在大约10倍的关系，即：

式中，Lm为变压器初级电感量。由此可推出：

式中，f为工作频率；Dmin为占空比。结合实际调试情况，设计选择钳位电容0.22 μF。

3.4 输出滤波电路的设计

在DC/DC变换器的高频整流输出电路中，通常采用电感输入式滤波器，即由电感和输出滤波电容构成的LC型滤波器。电容在高频下呈现很小的容抗，电感线圈在高频下呈现很高的感抗，从而能够有效抑制输出电压纹波，起到平滑直流输出电压的作用，使DC/DC变换器输出尽可能稳定。输出滤波电感是个储能电感，在续流阶段电源的输出功率是由电感中所储存的能量转化而来的。其值可以由公式求出，输出滤波电容上的电压纹波要求是≤420 mV，电容最小值约为 81 μF。

4 产品性能指标测试结果

产品完成后进行一系列的产品性能指标测试，将3块产品主要数据与XXX系列同功率电源进行指标对比，具体见表2。

表2 XXX系列同功率电源与HSC2828S300M主要指标对比

由表2可知，该产品电性能指标均符合要求，且优于XXX系列电源。

5 结 论

综上所述，XXX系列300 W的DC/DC变换器在电特性上可完全替代XXX系列电源，并且该产品经检测和试用，各项技术性能指标均能满足用户使用要求，得到了用户认可。该产品已经开始小批量订货，可推广到其他领域，具有一定的实际应用价值。