高精度高动态响应磁反馈隔离电源设计

2020-05-27潘胜和

通信电源技术 2020年6期

关键词：磁芯纹波电感

胡杰，潘胜和

（深圳市英威腾电气股份有限公司，广东深圳 518106）

1 技术要求

具体技术要求如下：

（1）额定输入电压100 V，输入电压拉偏为70～110 V；

（2）隔离输出三路+5.6 V、+13.0 V 和-13.0 V，输出功率分别为19 W、19 W 和12 W；

（4）负载从10%额定负载到满载变化时，输出电压稳定度优于5%；

（5）+5.6 V 输出电压纹波小于80 mV，+13.0 V输出电压纹波小于120 mV，-13.0 V 输出电压纹波小于120 mV；

（6）额定负载时电源转换效率大于70%；

（7）满载到半载，以及半载到10%负载切换时，输出电压过冲小于5%

2 电源方案设计

2.1 拓扑选型

此电源的额定输入电压为100 V，输入电压最大拉偏范围是70～110V，输入电压较高，又属于中小功率范围，因此可以选择双管正激拓扑。

本设计拟采用耦合电感滤波的双管正激拓扑实现指标要求的三路隔离输出，即将三路输出的滤波电感耦合到一个磁芯上，以提高输出电压的负载调整率，输出滤波电感L1、L2 和L3 为共用一个磁芯的耦合电感[1，2]。

2.2 控制方案设计

针对+5.6 V、+13.0 V和-13.0 V三路输出分别隔离，设计方案为采用磁反馈闭环+5.6 V 输出，通过耦合电感技术将另外两路的输出稳定在14.5 V 左右，再串接纹波调整器实现+13.0 V 和-13.0 V 的稳压输出。

3 功率电路参数设计

3.1 主变压器设计

DC/DC 的开关频率为200 kHz，磁性材料选择高频铁氧体，根据功率等级采用798 厂的GU26*16_R2KB型号，其饱和磁感应强度Bs为500 mT，截面积Ae为95.9 mm2。为了满足励磁电流不会使变压器饱和，变压器原边最小匝数需满足：

说到“末”字，不得不提一个有趣的历史故事。战国时期，齐赵两国互相交好，齐王派使臣问候赵威后。赵威后却不关心献礼和书信，反而问使臣：“齐国的庄稼和百姓好吗？还有你们的君王也好吗？”使臣心里很不高兴，认为赵威后不先问候齐王，却先问庄稼和百姓，这样先贱后贵，没有尽到礼数。赵威后却认为是先有百姓，才能有君王。既然百姓是本，君王是末，那么哪有舍本问末的道理？看到这里，我们不禁为赵威后点个赞。作为封建王朝的统治者，她能够早早意识到百姓的重要性，明白水能载舟、亦能覆舟的道理，真是难能可贵！

其中Δtmax为开关管导通时间；ΔBs为磁感应强度变化量，一般取饱和磁感应强度的一半，则可计算出最小匝数为11 匝，这里原边匝数取为15 匝。

3.2 输出电感设计

耦合电感滤波正激拓扑结构的输出电感匝数比必须与主变压器的副边匝数比严格一致，否则将在输出端产生严重的纹波电流，增大输出电压纹波[3]。

由于对主路+5.6 V 进行隔离反馈控制，则首先考虑+5.6 V 路电感设计，其额定输出电流为3.4 A。根据纹波和瞬态响应的需要，一般使纹波电流值为负载电流的30%～40%，则输出电感量为：

耦合电感选用铁镍钼磁粉芯，铁镍钼软糍材料具有高饱和磁感应强度的特点，可以达到8 000 高斯以上，因此可以在大电流下工作而不饱和，也就使其具有优异的直流叠加特性；同时温度特性好，在金属磁粉芯中具有最好的温度稳定性，机械强度好，能工作在-55～200℃的工作环境下，适合应用在军用和高精密领域。

对于耦合电感，在选择磁芯尺寸时，将所有的耦合电感支路折合到一个绕组上，根据总输出电流按单线圈电感计算磁芯尺寸。

3.3 输出电容设计

按照纹波所需电容量公式计算，此电源的输出纹波要求小于80 mV，则：

结合实验现象，+5 V 路实际输出电容取为470 μF，可选用耐压20 V 的钽电容CAK45C-20 V-470 μF-F，同理±13.0 V 路实际输出电容取为400 μF，选用耐压25 V 的钽电容CAK45C-25 V-100 μF-F 并联。

3.4 开关管和二极管选型

主开关管Q1 和Q2 的最高电压为输入电源电压，这两个管子选用耐压等级为200 V 的MOSFET 即可，选用IR 公司的IRFU15N20D，其耐压200 V，额定电流17 A，导通电阻0.165 Ω。复位二极管D1 和D2 选择肖特基二极管16yq150c，耐压150 V。副边整流二极管的最大反偏电压为17 V，肖特基二极管16yq150c 满足要求。

3.5 驱动电路设计

双管正激拓扑中开关管Q1 和Q2 的开关动作一致，因此采用一个TC4420 芯片同时驱动上下两个MOSFET管，如图1 所示。为了保持时序一致，上、下管均采用变压器隔离驱动，驱动变压器可以采用环形铁氧体磁环，选用798 厂的H7×4×2_R2KBD 软磁铁氧体环形磁芯，开关频率为200 kHz 时，推荐的驱动变压器电感量为1～2 mH。

图1 驱动电路原理图

4 反馈控制电路设计

4.1 磁反馈电路设计

采用磁反馈方式，可以分为4 个部分。电路1 为输出电压比较电路，电路2 为输出电压输入电流求和反馈电路，电路3 为电流传感器去磁电路，电路4 为输出PWM 电路[4]。

由于电阻R6 上的波形反映了Vfb的波形，因此Vfb与Vref2比较也就相当于电阻R6 的电压与Vref2相比较。当变换器的输入电压增加时，输出电压会随之增大并高于参考电压Vref1，输入电流也会增加。运放A1 的输出电压降低，电流Ierr增大，电阻R6 上的直流电压增大。由于变换器的输入电流增大，电流变压器T2 的线圈N2 的电流也随之增大，电阻R6 上的交流电压也增大。由于Vref2电压固定，因此Q1 和Q2 的占空比会随之减小，抑制了输出电压和输入电流的上升。当输入电压减小时，此反馈电路又会增大Q1、Q2 的占空比，维持输出电压不变。

4.2 纹波调整器设计

主拓扑仍采用BUCK 结构。开关管最优的选择为P-MOSFET，若采用N-MOSFET，其高边变压器驱动需要最大占空比限制功能，电路变得复杂；输出电压反馈型的BUCK，N-MOSFET 不适合放在低边。纹波调整器每路的输出电流不大，采用P-MOSFET 不会导致效率的损失，由于BUCK 输入电压不高，可简单采用三极管推挽驱动。

5 输入输出保护电路设计

5.1 输入过流保护电路

为了防止直流-直流变换器发生故障导致一次母线短路，输入过流保护电路在DC/DC 过流时将一次母线与DC/DC 断开，实现故障隔离，采用保险丝作为故障隔离的手段，在母线与输入滤波器之间串联此故障隔离电路。与保险丝串联的电阻一般取为保险丝内阻的10 倍，提供保护备份，防止电流尖峰使DC/DC 被误隔离。