大功率DC／DC变换器的研制-电子工程世界

分享到: 微博; QQ; 微信; LinkedIn

　　0引言

　　惯导系统专用DC／DC电源(28.5 V)主要功能是隔离和稳定弹上供电电压，保证弹上电源在较大范围波动时能提供精密稳定的电压，一般情况下，受弹上舵机等其他设备工作的影响，弹上电源的波动和干扰很大。

　　为此，本文采用氮化铝基板、混合集成技术和裸芯片组装工艺，给出了一种高可靠而且重量轻、体积小、输出功率较大的200 W直流／直流变换器的研制过程。该DC／DC变换器可替代进口产品，也可推广应用到其他型号的机载或弹用设备系统中。

　　1 电路设计

　　该DC／DC变换器在原理上采用双管推挽拓扑+两路串联设计技术，每路承担100 W的输出功率。由于是两路串联，故只要保证每路输出电压一样，就可使每路输出功率一样，从而避免了并联技术所要采取的均流技术等复杂措施。每路电路则采用脉宽调制(PWM)控制技术，并通过推挽功率变换，变压器耦合传输，再经整流、滤波后得到相应的输出电压，最后经光耦的反馈来调整脉冲导通时间，从而得到精确的输出电压。

　　该变换器的电路原理框图如图1所示。每路电路均由输入滤波电路、推挽式功率转换电路、高频变压器、输出整流滤波电路组成。推挽电路由于结构简单，变压器工作在磁滞回线I、Ⅲ象限，且工作中没有直流分量，不易饱和。相对于有直流分量的单端电路而言，在传递同等功率时，变压器的尺寸要相对小些。输出全波整流后，脉冲频率将提高一倍，因此，滤波电容可以减小，以有利于小型化。主电路经整流滤波后的信号经过采样与精密基准比较放大后，其误差信号通过光耦反馈给脉宽调制器，以调制其驱动信号脉冲宽度，从而控制功率开关管的通断时间，最终实现输出电压的稳定。系统中的辅助电源主要提供PWM控制器的工作电压。

大功率DC／DC变换器的研制 [page]

　　2工艺设计

　　该变换器可采用AIN高温共烧基板制造工艺及厚膜成膜、厚膜组装工艺制造。图2所示是AIN高温共烧基板制造工艺流程图，其组装工艺流程如图3所示。

大功率DC／DC变换器的研制

　　成膜工艺流程如下：

　　1基片处理→2掩模制版→3金导体印制→4烘干烧成→5介质印制→6烘干烧成→7PdAg导体印制→8烘干烧成→9电阻印制→10烘干烧成→11玻璃印制→12烘干烧成→13金属化印制→14烘干烧成→15激光调阻→16成膜专检。

　　3关键技术问题

　　3.1方案设计问题

　　由于此电路要求输出功率高达200 W，因此，总体方案的选择尤为重要。从理论上讲，实现200 W的DC／DC变换器输出有三种可行方案：一是单路输出，二是两路并联输出，三是两路串联输出。第一种方案线路最为简单，但要求变压器应有200 W以上的传输功率，经过计算，至少要选用φ2213的磁罐，这样，加上底板厚度2.5 mm、盖板0.5 mm、变压器粘接膜厚以及变压器和上盖板之间的间距至少要保留0.5 mm以上，其总高度已超过16.5 mm，而设计要求的最大高度为15mm。第二种方案为VICOR公司采用的N+1方案，但由于电路启动或工作时电流分配不均匀易造成电路损坏，所以采用这种方案一般要应用均流技术，这样将增加电路的复杂程度，也延长了研制周期。考虑到此电路的输出电压较高(28.5 V)，第三种方案应是实现本电路的最佳方案，因为采用串联技术只要每路输出电压一样就可保证输出功率一样，这样可避免输出功率的不均匀，而输出电压一样只要通过功能调就可保证。由于电路总的输出电压为28.5 V。每路的输出电压有14 V多，因而不必担心因电压过低而影响效率。DC／DC变换器输出功率大于100 W的技术已经成熟。因此，无论从方案的可行性．还是从实施的进度来讲，第三种方案都是实现本课题的最佳方案。[page]

　　3.2电路设计问题

　　(1)线路的优化

　　设计时，可先用计算机软件仿真出最佳工作频率、变压器参数和关键电感电容的参数。对DC／DC电源而言，高频变压器的设计是首先要考虑的关键内容，而变压器设计的核心则是其初级和次级线圈匝数的确定。设计时，可采用以下公式来计算初级和次级线圈匝数：

大功率DC／DC变换器的研制

　　式中，Np为初级线圈匝数，Vp为加在变压器初级的电压，f为变压器的开关频率，Bmax是最大磁通密度，Ae为磁芯有效截面积(cm2)。事实上，如果不考虑肖特基二级极管上的压降，则次级线圈匝数为：

大功率DC／DC变换器的研制

　　其中，VO为输出电压，δmax是脉冲导通最大占空比，Vin min是输入电压最小值。

　　经过计算得到变压器初、次级线圈匝数的理论值后，可再经过试验以进行效验。为了减小漏感影响，此电路的设计采用初级和次级漆包线相互交叉绕制的方法。为了减少趋肤效应造成的损耗，变压器采用多线并绕的方法。

　　(2)元器件的设计

　　选取高品质的元器件(如日本TDK磁罐、低损耗的VMOS开关管、肖特基二极管等)可降低每一个关键环节的功率损耗。输入、输出滤波电路应采用可靠性较高的片式独石电容作为滤波电容，应避免钽电容在高温功率老化时容易出现的失效，有效提高电路的可靠性。

　　(3)平面转换设计

　　版图设计时，流过大电流回路的导带应尽量短、粗且靠近引脚，并应采用两次印刷，加厚导带层，以减小导带电阻，降低损耗。功率管上压焊的铝丝应选用300μm的材料，输入和输出电容端头的钯银焊区上应镀一层锡，变压器的漆包线尽可能地粗或用多股细线。[page]

　　(4)热设计

　　在布局上，热源要均匀分布，不要集中于某一局部，尤其是VMOS管、肖特基管。可选用高导热材料ALN做基板以减小热阻，快速散热，避免局部温升过高。由于本产品所需的基片较大，为避免机械冲击可能造成的损伤，应把基片分成四块(2块ALN基板和2块A12O3基板)来增加产品的可靠性。本产品的主要热源有15个，分别是4个VMOS管、8个肖特基二极管、2个变压器和1个电感。经过综合考虑，本设计把变压器和电感直接粘在底座的中部，以便于最大可能地散热，同时把4个VMOS管均匀地放在左侧的ALN基片上，而把8个肖特基二极管均匀地放在右侧的ALN基片上，这样，15个热源相对均匀分散放置，有利于产品热量的散发，避免局部过热。变压器、电感的引出端焊点尽量靠近其本身，并应避免引线过长，引起不必要的铜损与干扰。而对相应的钯银焊区进行敷锡，既可方便手工焊接，又可降低接触电阻和线间损耗。功率管载流焊在基板上，并将基板焊在底座上，这样有利于减少内热阻，降低损耗。

　　在做老化和质量一致性检验时，还应在产品和散热片之间加导热布或导热硅脂以减小热阻，同时减小损耗降低温升。

　　(5)低温启动和高温自激问题的解决由于本课题研究的DC／DC变换器的输出功率高达200W以上，输出电流在7 A以上，电路内部的电流变换率和电压变换率很大，元器件承受的应力也很大，因此，DC／DC变换器很容易处于不稳定状态，因而必须小心地设计电路的补偿网络。开关电源是一个闭环自动稳定系统，误差放大、补偿网络都是带负反馈的误差放大器，因此，补偿网络的设计显得尤为重要。在本课题的研制过程中，低温启动和高温自激曾长时间困扰着课题组，低温启动的不确定性，更增加了解决的难度。最终，课题组通过选择补偿网络的每一个元器件的参数，精心设计并反复试验，从而攻克了这两个难题，保证了DC／DC变换器稳定地工作。[page]

　　3.3工艺设计问题

　　由于此电路是大功率混合集成电路，输出功率高达200 W，电路内部功耗高达30 W，采用常规的工艺已不能满足要求，故应寻求新材料，并采用新工艺。

　　氮化铝(AlN)基板以其热导率高，热膨胀系数与硅接近，机械强度高，电性能优良等综合特点，而成为功率MCM的理想基板。由于AlN与Si的膨胀系数相接近，AlN基板与Si之间产生的热应力较小。由于AlN可以克服Al2O3瓷与硅片热膨胀系数不匹配的缺点，故可使得采用AlN作基板的MCM具有更高的可靠性。ALN具有六方晶系纤锌矿结构，质轻(相对密度为3.6)、强度高、禁带宽(Eg=6.2 eV)，抗电强度、体电阻率和介电常数均优良。其最大优点是具有高热导率(AlN的热导率是120～160 W／m.K，而一般的Al2O3的热导率是30 W／m.K)，因此ALN更适合于制作高集成度、高压、高速、大功率电路用厚膜混合集成电路的基板。

　　基于以上原因，本课题组决定选用ALN基片作为大功率器件的基板，并把功耗较大的VMOS管、肖特基二极管分布在ALN基板上。为防止基片过大冲击造成损坏，制作时特设计了四块基板(两块ALN基片和两块Al2O3基片)。

　　本课题标准规定漏气率需≤1×10-2Pa.cm3／s，经过综合考虑和对比试验，发现采用陶瓷绝缘子密封的抗折强度、抗压强度和抗拉强度等指标均优于玻璃绝缘子，故采用陶瓷绝缘子密封。

　　4结束语

　　该DC／DC变换器的输出功率高达200 W，外形尺寸为120.8 mm×76 min×15.5 mm，是国内迄今为止研制的最大功率和最大体积混合集成电源。由于采用了MCM技术和DC／DC变换器技术的结合，因而在客观上拓宽了DC／DC变换器的大功率输出范围，并为混合集成DC／DC变换器实现更大功率提供了可能性。

关键字：DC/DC 变换器大功率编辑：冀凯引用地址：大功率DC／DC变换器的研制

上一篇：带跳周期模式的高效升压DC/DC变换器
下一篇：LLC型串并联谐振变换器参数分析与运用

推荐阅读最新更新时间：2023-10-18 14:44

中电瑞华大功率高压能源反馈式负载系统成功交付中电熊猫

中电瑞华QPOWER7000充电模组高压能源反馈式老化系统今日正式交付中电熊猫,该系统能源反馈效率可高达95%。近期，中电熊猫与中电瑞华公司达成合作，为其量身定制针对其产品特性的150KW高压能量反馈式负载，该产品很好的解决了中电熊猫电源类产品长期以来存在的生产过程中电量损耗过大、生产制造成本高居不下的难题，降低产品老化测试过程中的绝大部分高耗电量，该设备的可扩容性也为企业未来产能的进一步提升提供好了良好的便利条件。中电瑞华的高压能量反馈式负载采用先进的大功率电力电子变换技术，结合DSP全数字算法，将高压直流电源转换成交流电回馈电网来实现设备的老化。该系列产品具有控制系统灵活、可靠性高、安全性强和稳定

[电源管理]

中电瑞华<font color='red'>大功率</font>高压能源反馈式负载系统成功交付中电熊猫

ATmega16读取RTC和ADC显示在LCD1602，同时串口输出

介绍mikroPascal for AVR 写的ATmega16读取RTC和ADC显示在LCD1602，同时串口输出，并写入EEPROM的程序。附带仿真文件。mikro编译器分为c，basic，pascal三种，除了语法有所区别外，使用和功能基本一样。有8051，AVR，PIC，ARM等版本，界面和语法都一样。学会一种芯片花很少时间就可以转到另一种芯片。自带常用库，帮助文件中例子很多，基本不需要其他文档就可以开始学习了。仿真原理图如下单片机源程序如下: program RTC_Read; var seconds, minutes, hours, day, month, year : byte; // Global

[单片机]

ATmega16读取RTC和A<font color='red'>DC</font>显示在LCD1602，同时串口输出

DC-DC芯片中的新型电流感应电路技术

在DC-DC设计中，由于电流环路控制模式具有的巨大优越性，电流环路控制已经成为一种普遍采用的控制方法。在电流环路中，电流感应是实现电流控制环路的第一步，也是必不可少的一部分。另外，电流感应也是过流保护、零电流保护、斜坡补偿等功能的实现基础。 1 电流感应方法综述电流感应的核心设计思想就是：设计的电路输出信号(电压或者电流)与输出电流(通过功率管或电感等)存在一个可以量化的关系式，即Vout=f(ILx)。一般而言，电流感应电路的取样位置在电感之后或PMOS功率管之前，如图1所示。而根据欧姆定律，用电阻将电流转换为容易处理的电压信号也是一种容易想到的办法。遗憾的是，通常通过PMOS管的电流极大(如500 mA或几A)，那么，如

[电源管理]

<font color='red'>DC</font>-<font color='red'>DC</font>芯片中的新型电流感应电路技术

双正激式变换器电路

电路特点: (1)两个正激式变换电路并联，T1和T2反相180驱动，功率增大一倍，输出频率增加一倍，纹波及动态响应得到改善;(2)S1、S2串联(S3、S4串联)，开关管耐压减半;(3)取消了反馈线圈，V1、V2、V3、V4均为馈能路径，降低了变压器的制作工艺等要求;(4)具有死区限制特性，两部分电路不存在共态导通问题，可靠性较高。特性分析：正激：导通时输入馈电给负载，截止时L供电给负载。双正激式变换器电路：

[模拟电子]

STM32F407的ADC单次转换

用到的引脚是PA3也就是ADC1的通道3 1、ADC的主要参数 a、分辨率----stm32f407的分辨率有6位、8位、10位、12位，参考电压如果是3.3 那么最小分辨率就是3.3/4095。 b、转换时间----stm32f407的最高允许频率是36M,最快转换时间 = 3+12个周期 =0.71us。 c、参考电压----2.4至3.3v。 2、工作过程分析 ADC转换是把外面输入到引脚的电压值转换成数字信号，单片机里面有一个模拟至数字的转换模块，我们可以控制它采集引脚的电压，stm32F407可以利用void ADC_SoftwareStartConv(ADC_TypeDef* ADCx)这个函数来控制转换。 3、详

[单片机]

STM32F407的A<font color='red'>DC</font>单次转换

正激型变换器电路

正激型变换器电路当S导通时，原边经过输入电源-N1-S-输入电源，产生电流。当S断开时，N1能量转移到N3，经N3-电源-VD3向输入端释放能量，避免变压器过饱和。VD1用于整流，VD2用于S断开期间续流。

[电源管理]

基于红外遥控的大功率LED照明系统设计

　　目前，照明是我国能源消耗的重要方面，每年的照明用电约为3000 亿千瓦时，约占发电总量的12%.随着经济发展，我国的照明用电将有大比例的提高；同时，随着能源危机和环保问题的日益严峻，我国照明产业也必须走绿色节能的发展道路。LED 是一种将电能转变为光能的半导体发光器件，属于固态光源；其作为一种新型的绿色照明方式，应用前景举世瞩目，尤其高亮度的白光LED 的开发成功，使得LED 在照明领域得以推广应用，也必然引起照明领域一场新的革命。　　与现行白炽灯、荧光灯等照明设备相比，白光LED 具有发热低、耗电量少（白炽灯的1/8,荧光灯的1/2）、寿命长（数万小时以上，为荧光灯的10 倍）、体积小、无污染、反应速度快、安全可

[电源管理]

基于红外遥控的<font color='red'>大功率</font>LED照明系统设计

TI降压DC/DC：为手机提供快速打补丁功能

　　“现在的手机功能变化迅速，同时又要求上市时间非常快。当手机已设计好后，需要增加一个新的功能怎么办？采用我们这种最新的超小超薄500mA降压DC/DC，可以快速为增加的功能供电，不需要重新设计整个板子，最大化降低系统设计难度，为手机厂商节约了时间。”德州仪器(TI)中国区高性能模拟产品业务开发经理张洪为说道。　　TI这款专门针对第二组电压的最新降压DC/DC转换器TPS62601采用TI获得专利的LBC模拟工艺制造，具有非常低的静态电流，其芯片尺寸仅为0.9 毫米×1.3毫米芯片级封装。由于其典型工作静态电流仅为30μA，开关频率达到6MHz，所以外围组件非常少，仅需要使用一个0.6毫米高的0.47μH电感器以及两个低成

[电源管理]

热门资源推荐
热门放大器推荐

小广播

热门活动

换一批

■TI 有奖直播 | 使用基于 Arm 的 AM6xA 处理器设计智能化楼宇

■Follow me第二季第3期来啦！与得捷一起解锁高性能开发板【EK-RA6M5】超能力！

■报名直播赢【双肩包、京东卡、水杯】| 高可靠性IGBT的新选择——安世半导体650V IGBT

■30套RV1106 Linux开发板（带摄像头），邀您动手挑战边缘AI~

Vishay线上图书馆

白皮书技术文章视频热门推荐