基于串聯(lián)模式的24V轉(zhuǎn)75V升壓電源的設計

0 引言
某車載設備需要一臺24V轉(zhuǎn)75V的大功率直流升壓電源，首套電源設計拘泥于傳統(tǒng)的分立式設計方案，集成度差且缺乏實際驗證，導致電源工作不可靠易保護，關(guān)鍵技術(shù)指標未達到設汁要求。在改進設計工作中+我們采用了目前技術(shù)成熟的高可靠的DC/DC模塊完成設計。單個DC/DC模塊的最高輸出電壓一般為+48V，要得到更高的輸出電壓，必須利用模塊的輸入輸出隔離特性，采用模塊串聯(lián)的方法實現(xiàn)。由于電源輸入電壓為+24V，因此本設計采用三個模塊串聯(lián)來得到75V電壓。DC/DC模塊輸出阻抗極低，即使是三個模塊串聯(lián)其串聯(lián)輸出阻抗相對于負載仍然可以忽略不計。

l 設計組成與工作原理
本設計以PAF6001F24-28電源模塊為核心，采用輸入并聯(lián)輸出串聯(lián)的方式，實現(xiàn)直流24V轉(zhuǎn)75 V的電壓轉(zhuǎn)換。使用外接電位器可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出電壓，輸出電壓可以在-60％~+10％標稱值的范圍內(nèi)調(diào)整。單個模塊的輸出電壓最高可調(diào)至28VxllO％=30.8V，最低輸出電壓可調(diào)至28 Vx60V%=6.8 V。這樣三個模塊串聯(lián)使用時可以得到一個較寬的電壓輸出范圍：50.4V～92.4V。當三個模塊輸出均調(diào)至25V時即得到75V電壓。此時輸出電流為60025=24 A。同時本升壓電源還具有啟動控制、電壓監(jiān)控以及過流、過壓、過熱等一系列保護功能，確保電源工作安全可靠。三模塊串聯(lián)工作原理圖如圖1所示。

圖2為單個電源模塊的應用電路，輸入端電解電容C1為儲能電容，同時可以吸收模塊輸入端的電壓尖峰。C2、C3為共模濾波電容，采用2kV的高壓瓷片電容。D1為瞬態(tài)吸收二極管TVS，對電壓瞬變和沖擊起到防護抑制作用，可防止電源輸入端出現(xiàn)瞬態(tài)高壓尖峰將電源模塊損壞，TVS還具備靜電防護功能，對于確保模塊的工作安全意義重大。另外，配合保險管使用還可預防輸入端出現(xiàn)意外反接而損壞模塊。

1.1 方案對比
圖3為分立元件方案的升壓電源原理框圖。該方案中，各功能單元均須單獨設計，整個設計集成度低。特別是隔離升壓變壓器及H橋功率變換電路，由于不是特異型設計，只能采用常規(guī)產(chǎn)品，導致體積太大，并且整個設計未經(jīng)充分的老化試驗和實際工作的驗證，這樣往往需經(jīng)過多次反復修改和完善才能滿足設計要求，既費時又費力。而在DC/DC模塊中，功率變壓器及H型功率橋均設計成扁平的特殊形式，集成于模塊封裝中，大大節(jié)省了空間。并且電源模塊技術(shù)早已十分成熟，可靠性極高，沒計者只需以模塊為核心進行一定的外圍設計，合理利用模塊的串、并聯(lián)技術(shù)，根據(jù)設計需求實現(xiàn)升壓或功率擴充，即可沒計出滿足技術(shù)指標要求的、性能優(yōu)良的工作高可靠的集成電源。與分立式方案相比，設計周期縮短，可靠性及技術(shù)指標大大提高。

1.2 共膜濾波技術(shù)
應用在模塊輸入端的共模扼流圈是電路中十分有效的共膜濾波器件，在共模干擾信號作用下，扼流圈上兩線圈產(chǎn)生的磁通方向相同，作用相互加強，每一線圈電感值為單獨存在時的兩倍。這樣對于電源產(chǎn)生的高頻共模噪聲，扼流圈等效阻抗高。因此，共模扼流圈對共模干擾有很強的抑制作用，而對差模電流呈現(xiàn)極低的阻抗，因而對有用的直流電流損耗極小。降低共模干擾的另一有效方法是加入旁路電容，如圖2所示，C2、C3用于旁路共模電流，減少輸入線之間的噪聲，同時也可吸收輸入端意外的電樂沖擊。C1、C3選用4700pF/2kV高壓瓷片電容。為防止寄生電感引入干擾，電容引腳應盡量短。

2 保護功能設計與電磁兼容措施
圖1中D1、D2、D3為快恢復二極管，均為串聯(lián)方式中的保護器件，功能是防止反向電壓加到任一電源模塊上，要求D1、D2、D3反向耐壓大于兩倍的電源額定輸出電壓，電流大于兩倍的電源額定輸出電流，正向?qū)▔航祽M量小。
圖2中的D1、D2為TVS管(浪涌電壓吸收器)，TVS具有極短的響應時間和相當高的浪涌吸收能力，可抑制感性負載切換時產(chǎn)生的瞬變電壓，也可用于保護設備或電路免受靜電以及感應雷所產(chǎn)生的過電壓的沖擊。TVS以旁路吸收的方式保護了電源系統(tǒng)，同時降低了電磁干擾，提高了電源系統(tǒng)可靠性與壽命。使用中TVS管的擊穿電壓要比被保護電路工作電壓高10％左右，以防止電路工作電壓接近TVS擊穿電壓，造成TVS出現(xiàn)漏電流并影響電路正常工作；還可以避免因環(huán)境溫度變化導致TVS擊穿電壓落入線路正常工作電壓的范圍。
在模塊輸出電壓調(diào)整端加濾波電容有助于降低紋波。通過在電源系統(tǒng)調(diào)整端和輸出端采用聚脂電容濾波，電源內(nèi)部采用雙絞線走線方式等多方面濾波措施，最終使得+75 V電源系統(tǒng)的輸出紋波控制在400～600 mV，滿足了+75 V電源紋波電壓≤750mV的使用要求。

3 結(jié)語
分立元件設計方案中，采用的元器件種類及數(shù)量繁多，集成度低，可靠性較差。特別是大功率的開關(guān)變壓器、功率全橋、散熱器等功率部件體積較大，裝配及安裝復雜。而模塊化設計的電源體積緊湊、形狀規(guī)則、安裝容易。依靠機箱殼體傳導散熱無須設計專門的散熱器，散熱面積大，其工作的可靠性已在實際應用中得到驗證。隨著DC/DC模塊技術(shù)水平的提高，各類電源的設計手段越來越先進，在一些要求體積小、設計質(zhì)量高、研制周期短的電源設計任務中，采用技術(shù)成熟的高可靠的DC/DC模塊以串聯(lián)模式完成升壓電源設計，不失為一種首選的設計手段。