多路精确稳压输出的数字DC-DC变换器设计

侯 伟，鄢婉娟，彭 健

(航天东方红卫星有限公司，北京 100094)

目前航天器上使用的DC-DC 变换器均为传统模拟电路设计，且很大一部分依赖进口。与模拟技术实现闭环反馈控制的DC-DC 变换器相比，数字电路具有以下优点：1)可实现多路独立闭环控制、精确稳压输出，具有快速响应能力及调节能力；2)可实现硬件拓扑的通用化设计，通过参数设置实现针对不同对象的应用；3)抗干扰能力强，避免了模拟信号的畸变失真；4)控制参数设计精确，一致性好，性能稳定；5)具备高度的柔性、智能化和可操控性，可通过远程诊断实现故障管理。本文以常用的XX28512 (28 V 输入，+5 V、±12 V 三路输出)型DC-DC 为例，设计一款三路(+5 V/3.6 A、+12 V/0.5 A、－12 V/0.5 A)独立闭环控制、精确稳压输出且电压可通过软件设置的数字DC-DC 变换器。

1 方案设计

数字化DC-DC 变换器的设计分硬件电路设计和软件程序设计两个部分。

依据多路输出、每路精确稳压的要求，数字化DC-DC 变换器的设计必须建立三个独立的闭环进行稳压。为了提高输出电压的调节速度和避免原、副边通信带来的软、硬件设计的复杂性，数字化DC-DC 变换器的总体框架采用主控制器在变压器副边、辅助控制器在原边的设计方案，三路输出电压全部在副边构成闭环，由主控制器直接进行调节，而不用将电压信息隔离反馈到原边。DC-DC 变换器的主拓扑原理框图如图1 所示。

图1 主拓扑原理框图

数字化DC-DC 变换器的主拓扑采用推挽变换器结构，提高了输入电压和变压器的利用率，而且副边绕组的整流电路无需滤波电感，电路结构简单。副边三路共用一路母线，＋5和＋12 V 输出采用同步Buck 变换器实现稳压，－12 V 采用同步Buck/Boost 变换器实现稳压。采用同步整流的设计方式不仅可以减小续流二极管的导通损耗，提高转换效率，而且实现了负载和母线的能量双向流动，负载变化时每路后级调节的占空比变化较小，减小了对副边母线电压的影响和负载不平衡时各路之间的交叉调节[1]。

数字化DC-DC 变换器的原、副边各有一个控制器，两个控制器互相隔离。主控制器在副边，完成副边三路的稳压调节、输出电压过压保护、输出电流过流保护、各路输出软启动、电压时序控制、使能、同步和通信功能。辅助控制器在原边，完成原边互补推挽开关管的控制、输入电压欠压保护、输入电流过流保护和原边软启动功能。

2 硬件设计

2.1 主拓扑设计

数字化DC-DC 变换器的主拓扑采用推挽变换器结构，如图2 所示。输入电压的设计范围是23～33 V，经一级LC 滤波后输入到主变压器。原边控制器在软启动之后，使两个开关管分别以0.45 的固定占空比互补导通(死区时间为100 ns)，将能量传递到副边绕组中，并经过全波整流、滤波后得到比较稳定的副边母线电压。为了避免与副边三路Buck 的开关频率(312 kHz)之间产生拍频干扰，原边的开关频率稍高于副边的开关频率，定为320 kHz。

图2 主拓扑原理图

为了减小开关动作时的导通损耗和关断损耗，主开关管和副边母线的整流二极管都加有相应的吸收电路，防止开关温升过高损耗器件。原、副边的“地”之间接有一高压吸收电容，减小地之间的高频干扰。根据工作频率以及输出功率，主变压器的磁芯选用TDK 公司PC40 材质的磁罐，尺寸选择P18/11，原、副边每个绕组的匝数分别为8 匝和6 匝。

2.2 同步Buck(Buck/Boost)变换器设计

副边+5 和＋12 V 输出采用同步Buck 的变换器结构，而－12 V 由于输入、输出电压极性相反，采用同步Buck/Boost变换器结构，每路独立稳压调节。＋5、＋12 和－12 V 的电路原理分别如图3、图4 和图5 所示。每路输出都采用电压闭环稳压调节，每路输出电流采用电阻取样，因为三路输出共地，所以取样电阻放在输出高端，防止地线中产生干扰，避免各路之间相互影响。正电压输出＋5 和＋12 V 的有遥测端子，遥测电压为＋4 V，遥测分压电阻的值要尽量大，以减小对输出电压和效率的影响，但是必须满足遥测阻抗的要求。

图3 +5 V输出同步Buck原理图

图4 +12 V输出同步Buck原理图

图5 -12 V输出同步Buck/Boost原理图

同步Buck/Boost 变换器就是将传统Buck/Boost 变换器中的续流二极管换成MOSFET，因此，与其他两路不同的是，－12 V 的两个MOSFET 都需要高边驱动[2]。由于进行电压取样信号放大的运放为正电压单电源供电，－12 V 的电压检测与其他两路不同，不是分压后进行取样，而是采用倍数为1/12的反相放大器实现负电压取样。

3 软件设计

原边控制器和副边控制器的总体功能设计框图如图6 和图7 所示[3]。

图6 原边控制器功能设计框图

图7 副边控制器功能设计框图

数字DC-DC 变换器工作流程如图8 所示。在发生过压、过流等异常情况时，控制器首先关闭控制信号，并且在检测异常消失延时一段时间后重新软启动，且恢复时间可程序设定。数字化控制器的通信协议中采用16 位的CRC 校验，保证上位机的数据可靠写入数字化电源模块中。考虑到特定的应用环境，设计中采用了三模块冗余(TMR)技术，每个参数在E2PROM 存储器中有三个备份，以抵抗单粒子翻转对E2PROM 造成的影响[4-5]。

图8 数字DC-DC变换器工作流程

4 测试结果

数字DC-DC 变换器实现了三路独立精确稳压且输出电压在额定值±20%范围内可设置，同时上电时序、输出过压、过流保护值、PID 参数等可设置。频率同步可通过外接时钟实现。图9 给出了参数配置软件的界面，可以对+5、+12、-12 V 三路的输出电压基准、过压保护值、过流保护值、上电延迟时间、PID 参数等进行独立设置。

图9 数字DC-DC变换器参数配置软件

图10 和图11 给出了上电延迟时间设置后的启动时序，图10 中+5、+12、－12 V 启动时序分别为0、5、10 ms，图11 中+5、+12、－12 V 启动时序分别为0、5、15 ms，三路上电延迟时间在0～100 ms 范围内可设置，验证了数字DC-DC 变换器上电时序设置功能。外接时钟270 kHz 时，数字DC-DC 变换器的开关频率如图12 所示，外接时钟320 kHz 时，数字DC-DC变换器的开关频率如图13 所示，验证了外部时钟频率同步功能。

图12 初始的外部时钟与PWM波形(蓝线：外部时钟信号；红线：控制器的PWM信号，同步频率270 kHz)

图13 调整参数后的外部时钟与PWM波形(蓝线：外部时钟信号；红线：控制器的PWM信号，同步频率320 kHz)

5 结论

本文完成了一款三路输出，各路独立稳压、输出精确可调的数字化DC-DC 变换器的设计与验证，取得了以下主要成果：通过对多路稳压输出拓扑结构比较与分析，设计了以推挽变换器为主体、副边三路后级闭环稳压控制的拓扑结构，在FPGA 平台上采用状态机结构完成控制算法的运算时序与控制逻辑，实现高精度DPWM 模块，完成了多路信号高速采样，实现了数字化DC-DC 控制器的核心功能；通过状态机控制总线的时序逻辑，实现I2C 总线和UART 接口通信的设计，提供了数字化电源参数的存储方式，并且可远程修改电源的运行状态，数据存储中，采用三个备份的方式对每个数据进行读写操作，保证参数的准确性和电源的安全性，实现了数字化控制器的智能化与容错机制设计。