一种28 V转5 V模块化数字电源设计

滕国飞，禹 勇，董 凯，刘卫华

(航空工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710065)

0 引言

随着机载设备日益复杂，其对供电电源模块化、智能化的要求也日益提升[1]。传统的采用标准砖式模块搭建的供电模块，通常不具备通信、监控等智能功能。研制模块化的数字电源具有实用意义。

通常为满足采样、闭环控制、监控、通信的要求，数字电源需要应用单片机、DSP等芯片[2,3]。近年来，专用电源管理芯片可良好地解决该问题。TI公司的UCD3138可在较小的尺寸下集成采样、控制、通信等诸多功能，满足电源控制与管理的需求，受到更多关注[4,5]。

在模块化设计的诸多技术中，低温共烧陶瓷(LTCC)具有高介电常数，适于集成电阻电容、功率器件等，适合开关电源集成场合应用[6]。设计了一种28 V转5 V、100 W数字控制开关电源模块，采用硬开关全桥电路，以UCD3138为控制核心来满足智能化要求。为实现模块化设计，同步整流电路应用LTCC工艺来实现，使电源集成到半砖尺寸模块内。测试结果表明该设计的有效性。

1 基于UCD3138的28 V转5 V电路设计

1.1 总体设计

设计的28 V转5 V电源输入电压范围18 V～32 V，输出电压5 V，额定功率100 W，输出6 A以上效率不低于85%，尺寸不超过81 mm×58 mm×12.7 mm，要求具有I2C通信及离散量状态指示信号。

为满足功率及数字化设计要求，设计该电源以UCD3138为数字核心芯片，采用硬开关全桥+次边同步整流的策略。其总体框图如图1所示。

图1 数字电源总体框图

如图1，该电源分为主功率、辅助电源、信号调理及数字处理电路等部分。其中UCD3138置于变压器次边，实现采样、PWM输出、通信及离散量输出等功能。辅助电源输出多路隔离供电以满足原、次边的供电要求。

1.2 功率电路设计

主功率电路如图2所示。全桥硬开关电路控制简单，可适应较宽的工作电压。输出5 V额定电流达到20 A，选择三个MOS并联的全波同步整流方式可有效降低损耗。通常开关频率取100 kHz～400 kHz。权衡开关损耗和滤波电路尺寸，选择开关频率为200 kHz。开关MOS选择导通阻抗仅4 mΩ的表贴器件以降低损耗。

图2 功率电路示意图

1) 变压器变比设计

图2中VIN的范围是18 V～32 V，VOUT为5 V，输出功率100 W。若开关管占空比为D，变压器T3变比为n1∶n2∶n2，则忽略损耗变比需满足：

(1)

因全桥电路占空比D理论最大值为0.5，即Dmax<0.5，则代入参数可知：

(2)

因此应使n2/n1在留有裕量的情况下接近最小值，考虑变压器绕制方便及占空比调节裕量等因素，取n1=5，n2=2。

2) 输入滤波器设计

图2中输入滤波仅针对高频干扰，采用保险丝F1内侧的π型滤波器实现。其中L1和CIN组成的二阶滤波器传递函数就是：

(3)

取L1=470nH，CIN=2.2×7=15.4 μF，等效电阻Rfin=0.1Ω后可得：

(4)

其截止频率在100 kHz左右，可滤除输入电压中的高频干扰。

3) 输出滤波器设计

输出滤波器采用LC形式，主要滤除开关谐波。图2中取L2=2.2 μH，CO由7个内置和1个外置电容组成，容值CO=47×7+1 000=1 329 μF，等效电阻Rfout取0.05 Ω，可得传递函数：

(5)

在开关频率200 kHz处，滤波器衰减达到约73 dB以上，可以有效滤除开关谐波。

2 基于LTCC的模块化设计

为减小尺寸实现模块化设计，本文电源采用图3所示两层印制板结构。功率电路及辅助电源置于下层便于散热，上层主要布置UCD3138及其外围采样、控制电路。输入输出功率接线柱由下层板引出，通信、离散量信号由上层板引出。

为提高集成度，本设计采用基于LTCC的集成工艺。将功耗较大、功率器件较多的次边同步整流电路进行LTCC工艺的集成，可大幅减小体积，且利于散热。LTCC部分如图3所示。

图3 模块化设计与实现

LTCC工艺的实现包括打孔、填孔、印制、叠片、等静压、载片、排胶、烧结等步骤。采用LTCC工艺集成后，可满足规定尺寸下的集成要求，达到了减少尺寸的目标。

3 测试验证

对设计的电源进行不同负载下的测试，数据见表1。从表1可知，当负载电流从3A至20A的变化时，模块输出电压偏差小于1%。在负载电流大于6A时，效率大于87%，满足协议大于85%的指标，证明了该变换器样件相关性能满足要求。

表1 不同负载下输出电压及效率测试数据表

4 结论

设计了一种28 V转5 V模块化数字电源，以UCD3138为核心来实现采样、监控、闭环控制及通信功能。功率电路采用全桥硬开关结合同步整流的策略来适应宽范围输入，并降低损耗。应用LTCC工艺对次边同步整流电路进行集成，来大幅减小电路尺寸，实现了模块化设计。样品实测结果证明了该设计的有效性。