一种反激式双输出DC/DC变换器的设计与实现

邓海飞

（深圳宝砾微电子有限公司，广东深圳 518000）

1 DC/DC变换器工作原理

反激式双输出DC/DC 变换器是电力系统能量传输的主要介质。这种器件结构简单、功率密度高、能量流动双向，可广泛应用于各种电子领域。

1.1 主电路拓扑

根据开关电源的功率设计要求和功率要求，分析了主电路的拓扑结构。为了有效地抑制主管的电压振荡，需要通过减小反向电流来降低功率损耗。与普通二极管相比，增加了箝位二极管。与普通二极管相比，导电电阻更小，整个电流导电路径的能量损耗被抑制，并形成同步整流管的输出滤波器，电压控制功能更强。

1.2 工作过程分析

与传统的移位全桥变换器相比，采用二极管箝位的DC/DC 变换器后，改进的主电路拓扑对整个电压有更好的控制效果。它以时间等效电路的形式调节负载电流的流量，提高了电流两端谐振电感的匹配度，避免了电压峰值过高对输出整体电流的电压抑制作用。当等效电路图中反向充电电流消失时，电感电流不能发生突变，电流流量值不能迅速减小到两端输出电流相等的状态。SR 管两端的电压可以被抑制。通过上升斜率计算公式，匹配变压器从一次侧到二次侧的输出功率，可以达到自动停机的效果。

1.3 SR管的驱动逻辑选择

SR 管的逻辑驱动原理与管上电流波形产生的驱动信号相匹配，驱动信号主要由三种逻辑形式产生：相同的滞后臂逻辑、和或逻辑。当SR 管不产生驱动信号时，流过体二极管的电流的导体降压效果会比普通二极管高，尽量让电流通过通道而不是体二极管。在对比分析中可以发现，电流控制与使用或逻辑传输通道的时间比最高，整体功率损耗最低，适用性最强。

1.4 DC/DC变换器损耗计算

在计算DC/DC 变换器损耗时，有必要从开关导通线路驱动损耗反向恢复的4个方面进行分析和考虑。以等效模型图为核心进行开通试验研究，可以发现在MMS 管中加入栅极电压后，通过充电效应可以达到开通阈值电压。此时MOS 管导通漏极电流逐渐上升，上升到平台电压水平，并开始充电以保持稳定的电压状态，直到导通完成。变流器损耗功率的计算主要分为前一级损耗计算和后一级损耗计算。在不同开关方式的差异下，绘制功率损耗表可以发现，系统的总损失率随着开关频率的变化而逐渐变化，且呈正相关关系。

1.5 数字峰值电流控制

数字峰值电流控制系统主要是基于DC/DC 变换器进行先进段段控制，以增强模数信号变换器、高精度匹配器和数字模拟变换器之间的匹配。同时结合可编程补偿器提供斜率补充，消除了次谐波振荡的影响。一次电流与参考后的输出电压进行比较，插补输入数字控制。通过数字模拟器的信号比较功能，进一步控制探测仪出波的驱动效果，达到电压和电流的控制目标。

1.6 仿真结果与实验验证

根据上述DC/DC 变换器的工作原理发现SR 管的驱动方式以及逻辑选择流程在计算损耗量之后进行峰值电流控制系统的处理与应用，主要分析主电路的参与计算方式，在各参数的设定下调整电压、电流变压器、谐振电感、滤波、电感等数值，利用这些数值对变换器进行仿真模拟处理，通过数值对比可以发现变压器两端电压基本没有电压峰值，再加入箝形二极管后可以有效消除整流管上的电压峰值，但箝形二极管在一个周期中只能导通一次，控制作用十分有限，所带来的导电损耗能够说明仿真设计流程的合理性和科学性。其次，通过比较电压和电压波形前后两端的整流管箝位二极管，它可以分析零电压软开关是否可以打开在一定宽度和他们是否满足额定负输出条件下额定电压输出条件。通过相应的数据调查和实验，可以发现所设计的星载充电DC/DC 变换器符合仿真结果。在峰值和电流控制的情况下，模拟实际实验过程中的波形，可以有效地控制一次电压以及电压和电流的传输，尽可能实现理论与实验的一致性，提高实验数据和仿真结果的合理性。最后可以发现，在额定输入电压不变的情况下，负载的突然增加和突然减少都会影响输出电压和输入电流波形，从而使整个电压间隙值具有良好的抗干扰性能和动态性能。结合效率和负载变化不同电压条件下，它可以发现，改进后的输出电压加载在负载电流输出范围宽将改变效率的增加，然而，即使负载的增加再次达到一定的负载后，效率变化很小。

2 一种反激式双输出DC/DC变换器的设计原则

本产品整机母线电压为28 V，整机中一些仪器和电路的运行需要5 V 的电压。本产品的作用是将8 V母线电压隔离转换为5 V，供整机仪器和电路使用。该产品采用光耦隔离反馈、正向有源嵌入、同步整流拓扑，通过内部变压器将8 V 输入电压转换为5 V 输出电压。输出电压由误差反馈稳定控制，输出纹波由滤波电路有效控制。

2.1 研制目标

输入电压（范围）：28 V（18～36 V）；输出电压（范围）：5 V；输出电流：30 A；输出功率：150 W；输入/输出隔离：隔离；外形尺寸：57.91×36.83×12.7 mm3；工作温度范围（TC）：-55～+100 ℃。

2.2 电路设计

2.2.1 设计原则

该产品采用同步整流有源箝位正向DC/DC 拓扑，由输入滤波电路、功率转换电路、整流滤波电路、PWM 控制电路、采样反馈稳压电路、辅助电源电路和保护电路组成。结合本设计中输出电压低、电流大的特点，选择同步整流有源箝位正向DC/DC 拓扑作为主电路结构。功率转换电路主要由开关转换电路和高频变压器组成。输入端能量通过转换电路传输到输出端，达到电压转换和输出电压调整的目的。设计采用了同步整流、有源箝位正向DC/DC 变换器电路和平面变压器结构。整流滤波电路的作用是降低输出电压的纹波电压，从而降低DC/DC 变换器对负载的冲击。LC 滤波电路是本次设计的输出滤波电路。反馈稳压电路检测开关电源的输出电压的变化，比较其与参考电压，和线性反馈控制电路的误差信号通过光耦合器，通过控制电路和调整它使电源工作在一个安全的状态。保护电路主要包括输入电压过压欠压、输出电流过流、短路和热保护。输出过流、短路采用逐周、关断保护组合，确保过流精度高、短路工况模块安全；本电路设计采用SG5025电压模式PWM 控制器，可提供完成有源嵌入式变换所需的主、辅助开关信号；提供前馈功能、循环短路、过温关断、滞回开设计，提高产品安全性；自备内部电源电路，简化外围设计；能否很好地满足设计要求

2.2.2 主变换和同步整流电路的设计

本设计采用正激励源钳位，其工作原理是：当主开关管Q1导通时，输入电压Vin全部加在变压器励磁电感两端，变换器将能量通过变压器传输给负载，变压器磁芯正向励磁，此过程为功率传输过程；当主开关管Q1关断时，励磁电流对主开关管等效结电容进行充电，当漏极电压充到大于输入电压时，钳位管Q2的体二极管导通，随后栅极驱动信号接入，钳位管Q2导通，给嵌位电容C3充电，而主变压器初级线圈电压变成了-VinD/（1-D），反向励磁，励磁电流逐步减小直至为零，此时主开关漏极电压达到最大Vc3=Vin/（1-D），励磁电流反向继续对初级进行反向磁化，将励磁能量和变压器漏感储存能量送回电源，变压器将工作于一、三象限，扩大了变压器的有效利用，减少体积、铜损、漏感损耗；接着关断Q2，励磁电流不能突变，将对Q2结电容充电，对Q1结电容谐振放电，当Q1漏极电压被谐振到-VD时，体二极管导通，此时接入驱动信号完成主开关零电压开通，下一个周期开始。从以上简述工作过程。

2.2.3 关键问题的解决

（1）高密度、高集成度问题。产品内部有效空间只有54.9 mm×25 mm×10 mm，将电路图中所示的所有原始器件集成在一起也是一个非常困难的问题。为此，我们采用多层PCB 设计，下板通过引脚与5 mm厚的铝基板连接组装，保证产品良好的散热。同时，内部组件全部包装成小尺寸。已准确测量上、下板装配位置偏差。经过两次对布局尺寸偏差的修正，确定了PCB 板和铝基板的加工尺寸和各部件的位置，制定了完善的装配工艺要求，制作出了产品专用的装配焊接模具。组装后的产品指标达到要求，最终解决了产品的高密度和高集成度的问题。

（2）国产化率问题。对国内生产成熟、有一定质量保证的零部件生产厂家进行审核。我们对供应商进行调查和评估，了解供应商提供的产品的质量、周期、资金、售后服务部门的态度和能力。只有经过调查评估符合要求的供应商，才能初步列入合格供应商名单。我们对合格供应商进行定期评估，主要提供零部件合格率、供货周期、价格合理性等，以确保持续的质量保证能力。对供方提供的零部件进行严格的进料检验，检查供方提供的零部件是否符合相应的标准、技术文件的相关要求、规格的正确性、尺寸的符合性等。采购完成后，对供应商提供的产品质量进行跟踪，并做好跟踪记录，并注明使用年份，以便对产品质量有更深入地了解，提供进一步合作的可行性。该电源模块共有53个元器件来自中国，产品国产化率100%。

3 DC/DC变换器的电流应力和传输功率

在实际的计算过程中，相应的电流应力和传动功率可以根据当前的物理原理，计算然后当前的双重压力和传动功率活跃桥直流/直流转换器可以计算出不同的操作状态下，以计算最合适的能力。计算中可以看出，一般情况下，整个电力系统稳态运行时的最大电流表达式为：

另外，在进行计算的时候可以发现在EPS 运行状态之下的电流表达式为：

通过对计算过程中的各个功率进行探究，可以发现在计算过程中，可以得到不同运行条件下的功率计算结果，得到理想状态下最合适的电流和功率表达式如下：

一般来说，电压和电流之间的参考值是在计算时得到的。通过以上计算分析结果可以发现，电压、电流在不同状态下的参考值为：

当整个系统处在稳态运行的情况下，可以得出的标准化表达式为：

当整个系统运行处于EPS 运行状态时，功率和电流的表达式为：

4 DC/DC变流器电流应力最小的优化策略分析

为了得到最有效的优化反激式双输出Dc/Dc 变换器最小电流应力的方法，可以利用数学模型进行计算，其中最典型的数学模型是拉格朗日函数。拉格朗日函数是在力学系上只有保守力的作用，则力学系及其运动条件的函数，可以在实际进行最小电流计算的时候具有比较显著的应用，从而可以计算出各项系数和整个系统运行之间的实际关系，进而可以优化具体应用的效果以及方法。在具体应用的时候，拉格朗日函数的应用表达式为：

当整个电路系统处于EPS 模式时，可以得出电流应力与功率之间的表达式更为复杂。通过对上述数字函数表达式的深入分析可以发现，在输入输出电压匹配的前提下，如果K 值为1，则在任何工作状态下，电流应力都是相同的。当D1为0时，EPS 系统控制与SPS 系统控制相同。当K 值≥1 时，特别是当整个系统处于轻负荷状态时，预设的优化方案对电流应力的具体优化效果显著。在具体的计算过程中可以发现，具体的计算过程是通过对输入输出电路之间的电压采样来计算K值。将参考电压U 和U 差值后，通过调节系统得到p值。将p值的判断代入上述计算公式进行计算，从而得到最优的移位比较组合，进而优化具体应用的效果。

5 结束语

总体而言，在目前国内对反激式双输出DC/DC变换器的实验研究中，采用改进的箝位二极管的全桥DC/DC 变换器可以有效地实现一定宽度内的软开关，消除二次侧调节电流对电压振动的影响，并采用同步整流技术改善变压器的功率损耗，与传统的实验研究相比，仿真试验的仿真结果总体负载高于额定负载，系统效率更好。能够满足反激式双输出的实际使用需求，能够为整个社会发展带来更好的经济效益和社会效益。