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。針對空間飛行器對高可靠性、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)計了一種輸入電壓最低可達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
對于采用多電壓供電的設(shè)備，最直接的辦法是采用多個獨立的DC／DC變換器，但會導(dǎo)致電源體積變大，效率不一定達到最優(yōu)，甚至在某些情況下，由于各個DC／DC變換器的工作頻率不一致，導(dǎo)致輸出拍頻干擾。因此，從簡化電源設(shè)計角度出發(fā)，目前常用的多路輸出控制技術(shù)主要有：通過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)流的拓撲，如單端正激拓撲；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撲，通過磁隔離反饋控制閉環(huán)，輸出各路的電壓通過與反饋繞組的匝比確定，次級通常采用低壓差三端穩(wěn)壓器進行二次穩(wěn)壓或采用高頻可控飽和電感(磁放大器)進行二次穩(wěn)壓。
在此針對空間飛行器對高可靠性、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)動芯片TP S2813實現(xiàn)次級同步整流的Buck變換器的電路設(shè)計。設(shè)計了一種輸入電壓為3．6 V，輸出為1 V／7 A的隔離式DC／DC變換器，并用實驗結(jié)果驗證了設(shè)計的可行性和有效性。

2 總體電路的考慮
若直接采用串聯(lián)線性穩(wěn)壓調(diào)整方式可實現(xiàn)降壓變換。如采用串聯(lián)調(diào)整管，利用運算放大器進行閉環(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。這兩種方式的缺點是效率低，且前一種需要低壓供電的運算放大器和低壓開啟的MOSFET，沒有宇航級器件。
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單，無需PWM控制器，但缺點是驅(qū)動信號受電路工作狀態(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題是，常規(guī)PWM控制器的最低啟動電壓均高于8 V，因此直接利用輸入電壓無法完成電路啟動，需要設(shè)計Boost電路給PWM控制器提供啟動電壓，當(dāng)電源輸出后，通過自持供電電路給PWM控制器持續(xù)供電。電路總體框圖如圖1所示。

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

該電路穩(wěn)態(tài)工作時分4個階段：①輸入電壓通過R1給VT1啟動電流，VT1導(dǎo)通，VT2，VD4截止，輸入電能通過L1進行儲能，電容C1放電；②VT1工作于飽和區(qū)，VT2逐漸進入飽和區(qū)；③VT2工作于飽和區(qū)，VT1截止，VD4導(dǎo)通，L1中儲存的磁能轉(zhuǎn)換成電壓uL和輸入電壓串聯(lián)，向C1及負載供電；④L1電流逐漸減小，VT2逐漸退出飽和區(qū)。