双路输出双闭环电流控制型DC/DC变换器的研究

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双路输出双闭环电流控制型DC/DC变换器的研究

摘要：多路输出电源的负载交叉调节性能一直没有得到较好的解决，给不对称性要求较高的负载应用带来困难。根据闭环控制原理，提出了一种双环路稳定，利用同一时钟脉冲同步的方法，解决了多路输出电源交叉调节互扰大的问题，大大改善了负载交叉调节性能。    关键词：DC/DC变换器；多路输出；交叉调节；双环控制
引言
目前，多路输出电源普遍采用针对一路输出进行闭环的PWM控制方式，而其他的辅助输出采用间接稳压方式。由于只对主输出进行闭环控制，占空比的改变对辅助输出的负载影响较大，尤其是从轻载到满载变化时，交叉调节的性能变差（通常>5％）。如果对未闭环的辅助输出进行二次稳压（如线性稳压），则电路复杂，效率降低。对于两路输出DC/DC模块，大多采用正负电压联合采样技术，但对于负载不对称的用电环境下交叉调节性能变差。为了改善负载交错性能，国外有些公司只研发单路输出模块，然后由用户对模块进行组合，实现多路输出稳压，这样也可提高效率。
多年来，国外对多路输出电源进行了较深入的研究。但是，在文献中进行数学模型建立，数学推导、分析的较多，其中，对正向变换器多路输出耦合电感对交叉调节性能的影响也有一些一般性的结论，而对具体问题的详细分析和研究的文献则不多。
本文采用200kHz矩形脉冲对两个结构完全相同的控制单元进行脉冲前沿同步，降低电磁干扰（EMI）。采用新一代BICMOS电流型控制技术，提高了系统稳定性，降低了控制电路的静态工作电流和启动电流，大大改善了多路输出电源负载交错性能。特别适合不对称负载的场合或对称负载的场合。


图1

1 基本结构
双路输出双闭环控制DC/DC变换器的结构如图1所示。它采用了两组DC/DC变换器并行工作方式，且均由脉冲发生器产生200kHz矩形脉冲来控制。两组变换器的驱动器和脉宽调制器（PWM）使用的常数是相同的，两组MOSFET的栅-源级波形的前沿同时开启。
这种结构并行工作的特点如下：
1）与目前国内外普遍采用的联合采样，脉宽调制型DC/DC模块相比，负载交叉调节性能得到大大提高；
2）由于两组变换器用同一种电路结构，所使用的元器件相同，简化了设计、生产、维护工作。
2 电路描述
由于采用了两组电路完全相同的变换器、控制电路及保护电路，所以，电路选择简单、控制简单，成本低。
2．1 变换器
对于低压输入、次级小于50W输出的电源，选择单端反激式变换电路有以下特点：
1）使用单只场效应管和单只输出整流二极管，省去了体积较大的输出滤波电感；
2）只须配置简单的箝位网络元件；
3）可以使用两只小型MMP磁环作为变压器，能满足小型化要求。

    具体的电路工作原理图如图2所示。
2．2 控制电路
控制电路的设计包括PWM控制器的选择，同步脉冲发生器的设计以及隔离反馈等电路的设计。
2．2．1 PWM控制
基于简化电路、简化设计的指导思想，选择第三代BICMOS电流型控制芯片。由于这种芯片静态工作电流小以及先进的前沿消隐等特点，使得DC/DC变换器的启动电路大大简化。由于采用前沿消隐技术，使得电流信号采样电路也同样得到简化。其方案如图3和图4所示。
2．2．2 同步脉冲发生器
同步脉冲发生器采用了传输比较高的自激振荡器，产生约200kHz，占空比50％的矩形脉冲。同步矩形脉冲分别送到两组变换器的电流控制型芯片的同步端子，以实现PWM输出脉冲的前沿同步。由于目前能产生矩形脉冲的自激振荡器很多，本文不再赘述，须指出的是在电路设计时，需要阻抗匹配好，就可达到同步前沿的目的。


图3、4

3 样机试制情况
本文介绍的双路输出双闭环控制DC/DC变换器，经过样机试制后达到如下技术指标：
输入直流电压 DC16～40V；
输出直流电压 ±15V/1.5A，最大2A；
负载稳定度 ＋15V0.1％；－15V0.1％；
电压稳定度 ≤0.1％；
交叉调节 0％；
输出纹波电压峰峰值 VP－P≤100mV；
效率 88％；
外形尺寸 60mm×60mm×12.7mm；
功能 具有输出过流、短路、过压保护功能。
4 结语
1）我们研制的双路输出DC/DC变换器，采用200kHz矩形脉冲同步，效率为88％，长期工作电路稳定。
2）为了进一步提高效率，功率MOSFET的开关速度必须提高。驱动电路须作进一步改进，应选择高频等效参数更佳的表贴元器件。
3）由于两组相同的变换器安装在外形尺寸较小的外壳中，更应重视PCB最优化设计，注意接地，避免大环路高频电流的扰动以及工艺技术，方能达到更好的效果。
本文介绍的DC/DC变换器，通过样机试制以及大量的试验后即将投入使用。