設(shè)計(jì)高性能65W雙路輸出1/4磚型模塊電源

設(shè)計(jì)方案
基本性能指標(biāo)：Pomax=65W；Vin = 36 ~ 76VDC；Vo1/Vo2 : 5V/3.3V等多種組合，輸出可調(diào)范圍：±10%；Io1+Io2=18A，I01max=13A，I02max=16A；效率h=90%(5V/3.3V組合)；標(biāo)準(zhǔn)1/4磚型結(jié)構(gòu)尺寸；基本模塊厚度低于9mm。
主變換電路選擇
經(jīng)對(duì)比單端正激式、準(zhǔn)諧振式、ZVS全橋相移式及有源嵌位單管正激等幾種變換方式，采用有源嵌位軟開(kāi)關(guān)單管正激方式。其顯著特點(diǎn)是功率器件較少，控制相對(duì)簡(jiǎn)便可靠；固定的工作頻率有利于輸入濾波器的設(shè)計(jì)；初、次級(jí)開(kāi)關(guān)電壓應(yīng)力更低，初級(jí)導(dǎo)通損耗低，開(kāi)關(guān)損耗低；變壓器利用率更高，變壓器波形好，使通過(guò)耦合對(duì)二次側(cè)同步驅(qū)動(dòng)更易實(shí)現(xiàn)。二次側(cè)用同步整流方式，經(jīng)對(duì)比兩路單獨(dú)變換、主輸出降壓變換、可飽和磁放大器等方式，確定用電子模擬磁放大器(斬波式穩(wěn)壓器)方式做為第二路穩(wěn)壓方式。即用一只MOS管替代磁放大器電感，通過(guò)模擬磁放大器原理調(diào)節(jié)此開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。實(shí)際對(duì)變壓器次級(jí)電壓進(jìn)行了斬波。這樣最大限度減少了磁性功率器件的數(shù)量，提高了變換效率，充分發(fā)揮了線路的效能。這使得二次側(cè)具有一系列優(yōu)點(diǎn)，如兩路輸出無(wú)需最小負(fù)載；因占空比不必變化很大，大范圍動(dòng)態(tài)響應(yīng)同樣好，兩路輸出的交互負(fù)載調(diào)整率很低等等。
機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
為實(shí)現(xiàn)1/4磚標(biāo)準(zhǔn)要求36.8mm×50.8mm，選用新型小尺寸SMD封裝功率開(kāi)關(guān)器件，第二路輸出濾波電感選用標(biāo)準(zhǔn)SMD平面型產(chǎn)品，以及采用PCB板制作變壓器及電感線圈，上層元件高度3.3mm，下層元件3.55mm，PCB板厚度2.05mm，總厚度8.9mm。最終保證了在1/4磚小面積上完成設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

工作原理
線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及簡(jiǎn)要說(shuō)明
如圖1所示，Lm表示變壓器初級(jí)勵(lì)磁電感，Le表示初級(jí)漏感，Cr是變壓器復(fù)位嵌位電容，C1、C2分別是MOS管Q1、Q2的寄生電容，D1、D2是Q1、Q2固有的體二極管，各MOS管的溝道與并聯(lián)的體二極管組成總開(kāi)關(guān)，S3、S4是二次側(cè)主輸出的同步整流續(xù)流開(kāi)關(guān)管，S5、S6是第二路輸出的整流續(xù)流開(kāi)關(guān)管。其中S2選用P溝道MOS管，便于設(shè)計(jì)它的驅(qū)動(dòng)電路。另外注意S5的體二極管方向。
各開(kāi)關(guān)管S1，S2，……S6的驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)序波形如圖2所示，在S1與S2驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間設(shè)有一定的死區(qū)以完成軟開(kāi)關(guān)過(guò)渡過(guò)程。另外，參數(shù)設(shè)置要保證初級(jí)電感Lm與Cr的諧振頻率小于變換器的工作頻率fs。
Dvo1：主路導(dǎo)通占空比，Dvo2：第二路導(dǎo)通占空比，n：變壓器變比
(1) 根據(jù)變壓器等效伏-秒公式，Cr上的電壓為Vcr=Vin/(1-Dvo1)
(2) 根據(jù)輸出電感的等效伏-秒公式，有nVo1/Vin=Dvo1
(3) 對(duì)于第二路輸出有nVo2/Vin=Dvo2
S5的導(dǎo)通量與S3的導(dǎo)通量相差：Dblock=Dvo1-Dvo2，因此Vo1< Vo2。
工作過(guò)程分析
(1) 穩(wěn)態(tài)波形如圖3所示，以一個(gè)穩(wěn)態(tài)周期為例，從M1到M10的10個(gè)階段進(jìn)行分析。各階段的等效電路如圖4所示。其中M1到M3階段是功率由變壓器向二次側(cè)傳輸過(guò)程，在M3階段同時(shí)又向第二路輸出傳送功率。M2階段是第二通道開(kāi)關(guān)S5與S6換流過(guò)程(即續(xù)流轉(zhuǎn)向整流)，M4與M5階段是軟開(kāi)關(guān)過(guò)渡過(guò)程，M5與M6階段和M9，M10階段同樣是由于變壓器初級(jí)漏感的作用形成的二次側(cè)輸出換流階段。
(2) 以下是各階段分析，注意開(kāi)關(guān)S的導(dǎo)通包括MOS管溝道Q導(dǎo)通與體二極管D導(dǎo)通。
M1階段：：(S1，S3，S6導(dǎo)通，S2，S4，S5關(guān)斷)
S1導(dǎo)通，Vin加至變壓器初級(jí)，功率傳至二次側(cè)第一通道。S5未導(dǎo)通，S6處于續(xù)流狀態(tài)，這階段到S5開(kāi)始導(dǎo)通結(jié)束。
M2階段：(S1，S3，S5，S6導(dǎo)通，S2，S4關(guān)斷)
第二通道開(kāi)始由變壓器供電。在S5導(dǎo)通之前，Q6溝道關(guān)斷，靠體二極管D6續(xù)流。S5一開(kāi)始導(dǎo)通，S5與S6開(kāi)始換流。注意在這一換流過(guò)程中，變壓器次級(jí)線圈有一瞬間電壓跌落。這一跌落的程度取決于S5導(dǎo)通速度，變壓器初級(jí)漏感以及第二路輸出電流的大小。假設(shè)S5瞬間導(dǎo)通，Vin將全部加在初級(jí)漏感Le上。使二次側(cè)出現(xiàn)電壓瞬間跌落至零。這階段至S6關(guān)斷為止。
M3階段：(S1，S3，S5導(dǎo)通，S2，S4，S6關(guān)斷)
第一、第二路輸出完全由變壓器供電。
M4階段：(S3，S5導(dǎo)通，S1，S2，S4，S6關(guān)斷)
Q1關(guān)斷的過(guò)渡。從Q1關(guān)斷開(kāi)始，iLe基本恒定，C1線性充電，C2通過(guò)Cr線性放電，這一階段至C1被充至Vin結(jié)束。變壓器初級(jí)電壓降至零。S3與S4換流之前，Q3溝道應(yīng)該關(guān)斷以防止交叉導(dǎo)通。而Q4、Q6應(yīng)在各自換流后導(dǎo)通。Q1的關(guān)斷屬一定程度的軟關(guān)斷。
M5階段：(S3，S4，S5，S6導(dǎo)通，S1，S2關(guān)斷)
Q1關(guān)斷后初、次級(jí)的繼續(xù)過(guò)渡。變壓器初、次級(jí)電壓降為零，無(wú)功率傳輸。Le與C1，C2諧振，C1充電上升至Vcr，C2通過(guò)Cr通路被放電至零，此時(shí)Le經(jīng)D2放電，這時(shí)Q2實(shí)現(xiàn)ZVS導(dǎo)通。在二次側(cè)， S3與S4， S5與S6繼續(xù)換流。
M6階段：(S2，S3，S4，S5，S6導(dǎo)通，S1關(guān)斷)
Q2導(dǎo)通時(shí)初、次級(jí)的過(guò)渡。變壓器初級(jí)電壓仍被嵌位在零電壓。Cr開(kāi)始通過(guò)Q2向Le加上電壓 Vcr-Vin，使iLe下降，當(dāng)iLe降至與im相等時(shí)，這一階段結(jié)束。在二次側(cè)，S3與S4，S5與S6繼續(xù)換流。
M7階段：(S2，S4，S6導(dǎo)通，S1，S3，S5關(guān)斷)
Q2導(dǎo)通后初、次級(jí)的繼續(xù)過(guò)渡。Cr以電壓Vcr-Vin使變壓器復(fù)位，二次側(cè)完全由S4，S6續(xù)流。
M8階段：(S4，S6導(dǎo)通，S1，S2，S3，S5關(guān)斷)S2關(guān)斷的過(guò)渡。
M9階段：(S3，S4，S6導(dǎo)通，S1，S2，S5關(guān)斷)S2關(guān)斷后初、次級(jí)的繼續(xù)過(guò)渡。
M10階段：(S1，S3，S4，S6導(dǎo)通，S2，S5關(guān)斷)S1導(dǎo)通的過(guò)渡。
這三個(gè)階段相應(yīng)地分別與M4，M5，M6三個(gè)階段的變換過(guò)程相似。在M8階段，S1，S2上的電壓開(kāi)始過(guò)渡過(guò)程，im使C1線性放電，C2線性充電。M9階段，Le與C1，C2的諧振作用使C1放電，C2充電繼續(xù)進(jìn)行。與M2和M3階段相比，使S1達(dá)到ZVS過(guò)渡更困難，因?yàn)闆](méi)有等效負(fù)載電流對(duì)諧振環(huán)進(jìn)行補(bǔ)充。但在設(shè)計(jì)上，如果通過(guò)減小勵(lì)磁電感，使勵(lì)磁電流有較大峰-峰值，可以達(dá)到ZVS過(guò)渡。但是這樣在諧振環(huán)路中會(huì)有較大環(huán)流引起較大損耗，這與主變換器工作頻率也有關(guān)。然而實(shí)際上，S1的導(dǎo)通過(guò)程是ZCS過(guò)渡。在M9，M10階段，S3(D3)和S4(D4)開(kāi)始換流，當(dāng)S3完全導(dǎo)通后，這一階段結(jié)束，然后回到M1階段，完成一個(gè)完整周期的變換。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果
測(cè)試條件：Vin=48V, Vo1=5V, Vo2=3.3V, Io1=6.5A(半載), Io2=8A(半載)
各開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電壓波形(略)，Q1與Q2驅(qū)動(dòng)時(shí)序有一定死區(qū)以完成軟開(kāi)關(guān)過(guò)渡。Q5、Q6驅(qū)動(dòng)波形雖有一定交叉，但此刻變壓器不傳輸功率，不會(huì)引起交叉導(dǎo)通損耗問(wèn)題。
在Q1關(guān)斷Q2導(dǎo)通的過(guò)渡過(guò)程中，Q1實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷，Q2是零電壓導(dǎo)通。 在Q2關(guān)斷Q1導(dǎo)通的過(guò)渡過(guò)程，Q2是軟關(guān)斷；Q1如前所述不是零電壓
導(dǎo)通，但Q1實(shí)現(xiàn)了零電流導(dǎo)通，而且從總體效率指標(biāo)比較，這樣的結(jié)果最好。
在實(shí)測(cè)的效率—負(fù)載曲線中，在輕載時(shí)就有較高的效率，在半載至滿載時(shí)，效率一直保持在90%左右。
另外，該模塊動(dòng)態(tài)負(fù)載響應(yīng)快，電壓變動(dòng)小。當(dāng)Io1從 0—>6.5A變動(dòng)時(shí)，電壓變化量只有120mV，恢復(fù)時(shí)間小于250ms。

結(jié)語(yǔ)
以上理論分析及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，應(yīng)用所介紹的技術(shù)使這款雙路輸出1/4磚型模塊電源表現(xiàn)出優(yōu)異的特性。其它特性還有諸如雙路輸出可各自調(diào)整；在各種不同負(fù)載條件下，輸出電壓極為穩(wěn)定；可靠性很高等等，解決了以往其它雙路輸出電源存在的許多問(wèn)題。(本文有刪節(jié)，詳見(jiàn)本刊網(wǎng)站www.eaw.com.cn)■

圖1 有源嵌位單端正激變換及電子模擬磁放大器原理

圖2 開(kāi)關(guān)管S1，S2……S6的驅(qū)動(dòng)電壓波形

圖3 穩(wěn)態(tài)時(shí)的相關(guān)電流電壓原理性波形圖

圖4 各不同階段的等效電路