高效、高功率密度、低压、大电流DC-DC电源的设计

摘　要：本文介绍的一种低压大电流高效高功率密度DC-DC 电源，采用高集成度的PWM控制IC(DPA426) 、同步整流、低损耗变压器复位等多种技术。该电路具有完备的输入欠压/ 过压保护、输出过流/ 过压保护和过热保护等功能。
关键词: DC-DC 转换器；电源电路；脉冲宽度调制；同步整流；低损耗变压器

引　言

随着微电子技术的飞速发展，集成电路工作电压越来越低，工作速度越来越高，输出电流能力越来越大，要求其供电电路小体积、低电压、高效率、大电流输出，这一趋势对供电电路的设计提出了严峻的挑战。本文介绍了一种1/4砖低压大电流DC/DC模块，其输入为48V ，输出为3.3 V/15A。该模块应用新型集成化控制电路DPA426 ，利用专用CAD 软件PI EXPERT设计变压器;为提高效率，采用谐振复位和同步整流技术，工艺上采用了低阻抗版图设计。测试结果表明，在输出低压大电流的情况下，该电源最大转换效率达89% ，完全满足系统设计的需要。

电路设计

功率变换结构
电路拓扑采用单端正激结构，如图1 所示。由于面积小、高度低，控制电路采用DPA426 ，该电路集成度高，减少了元件数量，节省了面积，提高了效率。输出采用同步整流技术，减少了低压大电流状态下的整流损耗。采用次级谐振变压器复位，进一步降低了功率耗，保证模块可靠工作。

图1 　电路拓扑图

控制IC
该电路选用最新的高集成度PWM 控制器(DPA426) 作为控制IC。DPA426 将高频功率MOS管、PWM控制电路、故障保护和其它控制电路集成在一个COMS 单片上，可以很方便地实现各种保护功能，从而大大简化了外围电路的设计。同时，优化了功率MOS管的驱动电路，减少了功率MOS管开关损耗。

DPA426 具有如下特点:
①内部集成电流检测电路;
②自动重启及输出过载和开环保护;
③宽输入电压范围:16～75 V ;
⑤高达75%占空比的电压模式控制;
⑥输入欠压/ 过压保护;
⑦内部软启动;
⑧空载脉冲跳动;
⑨内部集成过热保护。

变压器
变压器设计是开关电源设计的关键，也是开关电源设计的难点。本电路设计采用PI EXPERT软件来设计变压器。该软件采用表格输入方式，输入与设计相关的参数，得出变压器加工的相关参数，通过软件进行参数优化。本文设计的最后结果如表1所示。

变压器复位电路
为了提高效率，采用了图1 所示的次级谐振复位方式。该方式利用功率开关管以及变压器的寄生参数，使磁化能量以谐振方式传输到次级。与传统辅助绕组复位相比，它提高了输入能量的利用效率，简化了复位电路和变压器设计，谐振复位和辅助绕组复位主开关管漏极的对比波形如图2、图3 所示。

图2 　谐振复位波形

图3 　辅助绕组复位波形

同步整流
随着模块输出电压的降低和输出电流的增大，传统的二极管整流方式已严重影响到电路的效率，这是由于整流二极管不可避免的结压降造成的。传统的整流方式已无法适应低压大电流输出的要求，必须采用新的整流方式。采用低导通电阻MOSFET替代二极管整流的同步整流方式，现已在低压大电流的设计中得到了广泛的使用。图4 是采用二极管整流和同步整流损耗对比图。

图4 　二极管整流和同步整流损耗对比图

根据应用的场合，本设计采用较简单的自驱动同步整流方式，电路结构如图5所示。

图5 　自驱动同步整流电路结构图

电路的工作原理为:当变压器同名端为高电位时(初级开关管T₁ 导通) ， SR₁ 栅极为高电平， SR₁导通， SR₂ 栅极为低电平， SR₂ 阻断;反之，当变压器同名端为低电位时(初级开关管T₁ 关断) ， SR₁ 栅极为低电平， SR₁ 阻断， SR₂ 栅极为高电平， SR₂ 导通，实现了正激变换器的工作条件。
　

工艺设计

在进行版图设计时，除了普通开关电源设计中应该注意的地方外，低压大电流模块的版图设计对低阻抗提出了更高的要求。因为随着电流的增大，电流流过路径的阻抗所造成的功耗对电路效率以及电流调整率影响极大，因此，基板材料和版图设计都要围绕减小导带阻抗、增强散热能力来进行设计。选材应根据加工能力，尽量增大铜箔厚度;版图设计应增宽导带面积，从而减小导带的阻抗，达到提高效率的目的；输出可采用专用引出端，降低损耗。表2是该DC/DC电源电路的测试结果。


结　论

低压大电流电源模块，是今后模块电源发展的主流方向。本文设计的电路，采用适合低压大电流的电路设计和工艺设计，提高了模块效率，保证了在1/4 砖的体积下，稳定可靠地实现3.3 V/15 A 输出。该电路完全满足现代电子技术对模块化电源的要求，具有广阔的应用前景。