一種低噪高輸出電壓DC—DC變換器設(shè)計

1、    一種低噪高輸出電壓DCDC變換器設(shè)計摘要：實(shí)現(xiàn)了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導(dǎo)放大器-電容(OTAC)連續(xù)時間型濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計和具體實(shí)現(xiàn)，使用外部可編程電路對所設(shè)計濾波器帶寬進(jìn)行控制，并利用ADS軟件進(jìn)行電路設(shè)計和仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，該濾波器帶寬的可調(diào)范圍為126 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內(nèi)波紋小于05 dB，采用18 V電源，TSMC 018m CMOS工藝庫仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線接近理想狀態(tài)。關(guān)鍵詞：Butte0 引言    某航天器設(shè)備需應(yīng)用一種輸入電壓28

2、 V、輸出電壓130 V的隔離式DCDC變換器，因?yàn)樵撛O(shè)備的控制精度要求高，因此對DCDC變換器的輸出噪聲有嚴(yán)格的要求。深入分析該設(shè)備系統(tǒng)的工作狀態(tài)，設(shè)計影響其正常工作干擾來自于DCDC變換器的傳導(dǎo)干擾，分為差模傳導(dǎo)噪聲和共模傳導(dǎo)噪聲。    DCDC變換器產(chǎn)生的干擾信號頻譜一般在30 MHz以下，屬于近場干擾。差模傳導(dǎo)噪聲中能量最大的一般為DCDC變換器主開關(guān)頻率處的頻率分量，體現(xiàn)為輸出的電壓紋波；而共模傳導(dǎo)噪聲的頻率相對要高很多，主要由線路的寄生參數(shù)引起，體現(xiàn)為輸出的電壓尖峰。    通常DCDC變換器輸出噪聲(包括電壓尖峰與紋波

3、)為輸出電壓的1，對于有特殊要求的DCDC變換器，可以通過一些關(guān)鍵電路的設(shè)計來解決，如濾波電路、開關(guān)器件的緩沖網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、有源濾波電路的設(shè)計、甚至采用軟開關(guān)技術(shù)等。    由于航天應(yīng)用的特殊要求，某些地面應(yīng)用的器件不能在空間應(yīng)用，例如容量比較大的鋁電解電容，由于不是密閉結(jié)構(gòu)，因此不能在空間低氣壓條件下應(yīng)用；而且空間應(yīng)用要考慮失效模式的影響(FMEA)，且不能存在單點(diǎn)失效故障，因此電容器要串并聯(lián)使用，這樣會減小電容器的有效容值，增大等效串聯(lián)電阻(ESR)和電路設(shè)計的難度。1 總體方案考慮    該航天器設(shè)備用的隔離式DCDC變換器的主要技

4、術(shù)指標(biāo)見表1所示。    從表1可以看出：    (1)母線輸入電壓范圍在2531 V，屬于低壓母線；    (2)輸出額定功率52 W，極限功率104 W；    (3)輸出電壓為130 V；    (4)額定輸出電流為04 A，極限輸出電流為08 A。    因此概括起來該DCDC變換器屬于低壓母線輸入，中等輸出功率(電流)的高輸出高穩(wěn)定DCDC變換器。    從功率需求、輸出噪聲以

5、及閉環(huán)穩(wěn)定性方面綜合考慮，電路采用負(fù)載端直接采樣反饋、電流型控制方式的推挽變換拓?fù)?。輸出濾波電路采用兩級濾波電路。其中第一級采用LC低通濾波器。LC濾波器具有陡峭的頻率響應(yīng)，但是電感器件的非線性、分布電容的影響，使得實(shí)際設(shè)計的濾波器達(dá)不到理論上的性能，因此對于低噪聲要求，不能僅采用LC低通濾波器。第二級采用有源濾波器。有源濾波器是利用有源器件(集成放大器、射隨器等)組成的無感濾波器，可以組成低通、高通、帶通濾波器等。近年來有源電力濾波器(APF)在電力系統(tǒng)智能控制中的應(yīng)用越來越廣泛，是一種新型的動態(tài)抑制諧波和補(bǔ)償無功的電力電子裝置，較無源濾波器有更好的適應(yīng)能力。通過改變其控制策略，能達(dá)到治理不

6、同諧波源的要求。因此，對有源電力濾波器的研究已成為一大熱點(diǎn)，受到越來越多人的關(guān)注。    LC低通濾波器的截止頻率可以設(shè)計得較高，用于抑制較高頻率的電源噪聲。由于截止頻率較高，這樣濾波電感與電容元件參數(shù)值也不會太大，因此所需的濾波電感與電容元件的體積也較??；第二級的有源低通濾波器，用于抑制較低頻率的電源噪聲。由于采用了有源器件(MOS-FET管)，會對電源效率造成一定影響，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，會使效率降低5左右。2 控制模式的選取    為了使輸出電壓穩(wěn)壓PWM型開關(guān)電源的負(fù)反饋控制信號可以是輸出電壓、輸出電流、輸入電壓(前饋)、輸出電感

7、電壓以及開關(guān)器件峰值電流等。根據(jù)反饋控制信號的不同，一般分為電壓型和電流型兩種開關(guān)電源控制類型，其優(yōu)缺點(diǎn)見表2所示。    電壓型只對輸出電壓信號進(jìn)行采樣，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制，是一種單環(huán)控制方式，輸出電壓采樣反饋信號Vf和基準(zhǔn)電壓信號Vref進(jìn)行比較得到誤差控制信號Ve，與固定鋸齒波信號比較后得到脈沖寬度調(diào)制信號對開關(guān)功率管進(jìn)行開關(guān)控制，實(shí)現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)壓控制。    電流型控制又稱峰值電流控制模式，是一種雙環(huán)控制。輸出電壓采樣反饋信號Vf再與基準(zhǔn)電壓信號Vref進(jìn)行比較得到誤差控制信號Ve，再與輸出電感電流峰值三角波信號進(jìn)行比較得到PW

8、M控制信號，對開關(guān)功率管進(jìn)行開關(guān)控制，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制。    電流型控制是雙環(huán)控制系統(tǒng)，由開關(guān)器件的峰值電流信號反饋的電流環(huán)(內(nèi)環(huán))和輸出電壓信號反饋的電壓環(huán)(外環(huán))構(gòu)成。功率變換部分是由電流環(huán)控制的電流源，電壓外環(huán)控制功率級的電流環(huán)。電流內(nèi)環(huán)負(fù)責(zé)輸出電感的動態(tài)變化，而電壓外環(huán)只需控制輸出電容。因此峰值電流控制模式要比電壓型控制模式有大得多的帶寬。    為了低噪聲要求，輸出端采用了兩級濾波器，為了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，考慮采用電流型控制方式。3 主變壓器設(shè)計    漏感是指沒有耦合到磁芯或其他繞組的可測量

9、電感量。漏感的影響就像一個獨(dú)立的電感串聯(lián)在繞組的引線上一樣。它是導(dǎo)致功率開關(guān)管漏源極、整流二極管兩端電壓尖峰的原因。這是由于其磁通沒有被其他繞組匝鏈所致。    對于已經(jīng)選定的磁芯和計算好的繞組，可以根據(jù)式(1)估算漏感：       式中：K1是簡單的初級和次級繞組，一般取3，當(dāng)次級繞組是交錯在初級繞組兩層之間時，取085；Lmt為整根繞線繞在骨架上每匝的平均長度，單位為in；nx為要分析的繞組所包含的匝數(shù)；W1為繞組的寬度，單位為in；Tins為繞組的絕緣厚度，單位為in；bw為制作好的變壓器所有繞組

10、的厚度，單位為in。    從式(1)可以看出，對于好的變壓器設(shè)計來說，主要是要選擇中心柱較長的磁芯，可以使得繞組盡量寬；其次把繞組的匝數(shù)控制在最小程度，也可以有效地減小漏感，因?yàn)樵褦?shù)和漏感的關(guān)系是平方關(guān)系；另外繞組之間的耦合好壞對漏感也有較大影響，因此在繞制過程中要盡量使繞組之間耦合緊密。    由于輸出電壓較高，次級匝數(shù)也較多，例如采用MAG公司RM10的磁芯，次級要26匝，如果按照正常的全波整流方式，漏感引起的電壓尖峰會很高，因此在變壓器設(shè)計上結(jié)合輸出整流電路，設(shè)計優(yōu)化如下：    (1)變壓器的繞

11、制采用“三明治”式繞法，即初級繞組先繞一半，再繞次級繞組，繞后再將初級繞組剩余的匝數(shù)繞完，并將次級繞組包裹在里面，這樣漏感最小，原理圖如圖1所示，變壓器繞制如圖2所示；    (2)次級分成兩個帶中間抽頭的繞組，每個繞組13匝(圖1中的n3，n4和n5，n6)，且n3，n4和n5，n6這兩個帶中間抽頭的繞組并聯(lián)繞制，這樣耦合效果最好。4 輸出濾波電路的設(shè)計    圖1所示的整流濾波電路中，繞組n3和n4經(jīng)V1和V2以及L1，C1整流輸出65左右直流電壓，并完成第一級濾波；同樣n5和n6經(jīng)V3和V4以及L2，C2完成同樣的功能；R1、C

12、3和V5組成第二級低通有源濾波電路，其中V5串聯(lián)在輸出電路中形成源極跟隨器，并通過R1和R2組成的比例器來設(shè)置工作點(diǎn)。    L3和C5，C6組成共模濾波器，主要濾除開關(guān)器件的開關(guān)尖峰引起的高頻共模噪聲。    根據(jù)公式(2)計算L1，L2的電感量：       式中：Vo為輸出電壓，單位為V；T為工作周期，單位為s；Io為額定輸出電流，單位為A。    輸出濾波電容C1，C2依據(jù)式(3)計算：    &#

13、160;  式中：Iout(max)為最大輸出電流，單位為A；f為工作頻率，單位為Hz；Dmin為最小工作占空系數(shù)；Vripple(p-p)為輸出紋波電壓峰-峰值，單位為V。5 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果    輸出濾波電路的仿真電路如圖3所示，仿真結(jié)果如圖4所示。第一級LC濾波電路不同的參數(shù)組合，可以得到第一級濾波的不同效果，如L1選擇1 mH，C1選擇50 F。仿真結(jié)果第一級濾波輸出電壓噪聲為68 mV；如果L1改為500H，C1選擇50 F，則第一級濾波輸出電壓噪聲為800 mV，但可以通過調(diào)整第二級有源低通濾波參數(shù)，達(dá)到最終要求的紋波電壓值。電路最終實(shí)測結(jié)果為16 mV，如圖5所示。    如前所述兩級濾波器有一個設(shè)置策略問題，如果第一級無源濾波器的截止頻率設(shè)置太低，則濾波器的體積較大，并且對于空間應(yīng)用