低輸入電壓同步整流型Buck變換器

摘要：為了減小中小功率多路輸出DC／DC變換器的體積，一般采用單端反激磁隔離反饋技術(shù)，次級(jí)采用多繞組整流輸出加線性串聯(lián)電壓調(diào)整器或磁放大器二次穩(wěn)壓控制方式。由于低壓差三端穩(wěn)壓器為線性串聯(lián)調(diào)整方式，因此隨著輸入輸出電壓差的增大，效率會(huì)隨之降低，并且低壓差三端穩(wěn)壓器在空間應(yīng)用還存在單粒子瞬態(tài)效應(yīng)，造成輸出電壓跳變。針對(duì)空間飛行器對(duì)高可靠性、高效、低輸入電壓降壓變換器的應(yīng)用需求，用通用PWM控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種輸入電壓最低可達(dá)3 V的同步整流型Buck變換器，提高了DC／DC變換器效率。
關(guān)鍵詞：變換器；低輸入電壓；同步整流

1 引言
對(duì)于采用多電壓供電的設(shè)備，最直接的辦法是采用多個(gè)獨(dú)立的DC／DC變換器，但會(huì)導(dǎo)致電源體積變大，效率不一定達(dá)到最優(yōu)，甚至在某些情況下，由于各個(gè)DC／DC變換器的工作頻率不一致，導(dǎo)致輸出拍頻干擾。因此，從簡(jiǎn)化電源設(shè)計(jì)角度出發(fā)，目前常用的多路輸出控制技術(shù)主要有：通過(guò)輸出電感磁耦合的交叉調(diào)節(jié)方式、加權(quán)反饋控制方式、磁隔離反饋結(jié)合二次穩(wěn)壓控制方式等。電感磁耦合控制方式主要適用于輸出需電感續(xù)流的拓?fù)洌鐔味苏ね負(fù)?；磁隔離反饋結(jié)合二次穩(wěn)壓控制方式一般適用于單端反激拓?fù)?，通過(guò)磁隔離反饋控制閉環(huán)，輸出各路的電壓通過(guò)與反饋繞組的匝比確定，次級(jí)通常采用低壓差三端穩(wěn)壓器進(jìn)行二次穩(wěn)壓或采用高頻可控飽和電感(磁放大器)進(jìn)行二次穩(wěn)壓。
在此針對(duì)空間飛行器對(duì)高可靠性、高效、低輸入電壓降壓變換器的應(yīng)用需求，提出了一種應(yīng)用PWM控制芯片UC1843以及MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片TP S2813實(shí)現(xiàn)次級(jí)同步整流的Buck變換器的電路設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了一種輸入電壓為3．6 V，輸出為1 V／7 A的隔離式DC／DC變換器，并用實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性和有效性。

2 總體電路的考慮
若直接采用串聯(lián)線性穩(wěn)壓調(diào)整方式可實(shí)現(xiàn)降壓變換。如采用串聯(lián)調(diào)整管，利用運(yùn)算放大器進(jìn)行閉環(huán)反饋控制的方式，或直接采用串接低壓差三端穩(wěn)壓器的串聯(lián)穩(wěn)壓調(diào)整方式。這兩種方式的缺點(diǎn)是效率低，且前一種需要低壓供電的運(yùn)算放大器和低壓開啟的MOSFET，沒(méi)有宇航級(jí)器件。
開關(guān)變換方式可以采用自激式或他激式。自激式變換器線路簡(jiǎn)單，無(wú)需PWM控制器，但缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)信號(hào)受電路工作狀態(tài)影響以及其開關(guān)頻率取決于電路中儲(chǔ)能電感，因此這里采用他激式控制方式。采用他激式控制方式需要解決的問(wèn)題是，常規(guī)PWM控制器的最低啟動(dòng)電壓均高于8 V，因此直接利用輸入電壓無(wú)法完成電路啟動(dòng)，需要設(shè)計(jì)Boost電路給PWM控制器提供啟動(dòng)電壓，當(dāng)電源輸出后，通過(guò)自持供電電路給PWM控制器持續(xù)供電。電路總體框圖如圖1所示。

3 升壓?jiǎn)?dòng)電路和輔助供電電路的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)使用了一種雙管自激Boost啟動(dòng)電路給PWM控制電路啟動(dòng)供電(一般PWM的啟動(dòng)電流為幾個(gè)毫安或十幾個(gè)毫安)，在DC／DC變換器正常輸出后，通過(guò)自持電路維持供電，Boost啟動(dòng)電路原理圖如圖2所示。

該電路穩(wěn)態(tài)工作時(shí)分4個(gè)階段：①輸入電壓通過(guò)R1給VT1啟動(dòng)電流，VT1導(dǎo)通，VT2，VD4截止，輸入電能通過(guò)L1進(jìn)行儲(chǔ)能，電容C1放電；②VT1工作于飽和區(qū)，VT2逐漸進(jìn)入飽和區(qū)；③VT2工作于飽和區(qū)，VT1截止，VD4導(dǎo)通，L1中儲(chǔ)存的磁能轉(zhuǎn)換成電壓uL和輸入電壓串聯(lián)，向C1及負(fù)載供電；④L1電流逐漸減小，VT2逐漸退出飽和區(qū)。