宽压高效DCDC设计文档格式.docx

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此次研发涉及4种DC/DC模块，分别为15W和30W两个额定输出功率等级，每个功率等级包括单路5V输出、单路15V输出模块各1种，也就是共设计四种类型的电源。

其主要难点:

（1）宽输入电压范围12.5~50V；

（2）宽工作温度范围-45~85°

;

（3）外形尺寸较小，这样对功率密度、效率和散热三方面提出挑战

（4）低功耗，效率高。

15W模块：

全输入电压范围内，常温条件下，5V模块满载输出时效率不低于85%，15V模块满载输出时效率不低于88%；

全输入电压范围内，常温条件下，5W输出时效率不低于75%，争取达到80%。

30W模块：

全输入电压范围内，常温条件下，5V模块满载输出时效率不低于86%，15V模块满载输出时效率不低于90%；

全输入电压范围内，常温条件下，15W输出时效率不低于86%。

因此本项目提出的三个新课题：

全输入范围高效；

低温启动；

高温散热；

高功率密度。

2技术要求

2.1模块类别

涉及4种DC/DC模块，分15W和30W两个额定输出功率等级，每个功率等级包括单路5V输出、单路15V输出模块各1种。

以下如非特指，均为对各模块的统一要求。

2.2工作温度范围

-45℃～+85℃，无需额外散热措施。

2.3隔离要求

输入地、输出地及二者与外壳间加500V，绝缘电阻不低于100MΩ。

输入、输出地间不加电容器。

2.4结构

各模块均采取封闭式结构，金属外壳封装。

外形尺寸（暂定）及点定义分别见图1.1和图1.2，控制端低电平禁止。

图1.115W模块外形尺寸及点定义

图1.230W模块外形尺寸及点定义

2.5输入

2.5.1输入电压范围

输入电压范围12.5V～50V，标称28V。

2.5.2最大输入电流

阻性负载满载启动时，最大输入电流不超过稳态输入电流的2倍。

2.5.3输入纹波电流

额定输入电压、额定负载、稳态工作时，输入纹波电流峰-峰值不大于30mA，可通过外接一级LC差模滤波控制。

2.5.4兼容性要求

兼容GJB181A相关要求及输入电压范围内的电压浪涌要求。

2.6输出

除非特殊说明，本条所列指标均要求在全输入（12.5V~50V）、全负载（空载~满载）、全温度范围内（-45℃～+85℃）满足。

2.6.1输出功率

启动时，在额定输出功率基础上，至少需保留15%设计裕量（过载时间不超过10s），验收时以额定值为准。

2.6.2转换效率

2.6.3输出电压精度（电压/负载调整）

5V输出稳态电压精度不超过±

0.1V，15V输出稳态电压精度不超过±

0.2V。

2.6.4输出电压峰-峰值

5V输出时峰-峰值不大于75mV，纹波成分（不含开关高频噪声）不大于30mV，无开关频率外的低频振荡；

空载条件下，峰-峰值不大于150mV，纹波成分不超过90mV。

15V输出时峰-峰值不大于100mV，纹波成分（不含开关高频噪声）不大于30mV，无开关频率外的低频振荡；

其中：

常温条件下，在输出端子根部靠测，示波器20MHz带宽，无外加电容，探头×

1档；

高低温条件下，可在输出线负载端测试，纹波幅值可不做要求，但要求无低频振荡。

2.6.5开机特性

启动延时时间不超过30ms，输出电压建立时间应不超过20ms，输出过冲电压不超过额定输出电压的5%。

测试条件为：

输入电压时间不大于1ms，满载启动。

2.6.6负载阶跃响应

输出接电子负载，设置负载电流为额定输出电流的50％～75％～50％和25％～50％～25％阶跃变化，阶跃周期为1ms，输出电流爬升斜率为2.5A/us。

输出过冲电压不超过额定输出电压的1%；

如输出过冲电压超过额定输出电压的1%，恢复时间不应超过500μs。

2.7使能功能

控制端悬空正常输出，控制端接地或低电平（0V~0.2V）输出截止。

2.8保护功能

2.8.1输入过欠压保护

超出最高输入电压10%时，过压保护动作；

低于最低输入电压10%时，欠压保护动作。

保护发生后无输出（体积允许情况下建议加，非必要）。

2.8.2输出过压保护

超过额定输出电压15%时动作，保护后无输出（体积允许情况下建议加，非必要）。

2.8.3输出过流保护

超过额定输出电流50%时动作，保护后无输出（体积允许情况下建议加，非必要）。

2.8.4输出短路保护

长时间短路不致损坏。

可考虑打嗝方式，自动或开机恢复（必要）。

2.9电磁兼容要求

重点满足GJB151A中CE101、CE102、RE101、RE102、CS106等相关要求，可根据北工大实验室现有条件完成相关考核，测试条件不具备的应在设计过程中充分相关因素。

2.10器材要求

电阻、电容、磁性元件全部使用国内军品厂家产品，必要时可协助采购。

变压器推荐使用4326厂的表贴式平面变压器，相关参数固化后提要求，可协助采购。

PCB建议层数为双层，最多不超过四层。

外壳设计形式需双方协商后确定。

进口半导体分立器件和集成电路要求全部可实现国产化封装，前期设计即以国产化兼容封装布板。

相关器件型号规格提前提出，与国内军品半导体器件供应商确认无误后方可进行，元器件国产化替代工作同步进行。

初样的进口元器件和PCB由北工大负责，正样元器件和PCB由北工大负责，惯性公司协助。

3方案选择

3.1难点分析

难点分析基本在概述中已经阐述，下面针对每个问题解决办法进行说明：

（1）宽输入电压范围12.5~50V；

当输入电压为12.5V时电路能正常工作，必须选用低电压启动控制芯片作为主控芯片；

在输入电压大范围变化时，保持输出电压的稳定度，选择合理的电流控制模式、强前向反馈，必须采用峰值电流控制。

低温启动（-45℃）问题：

工业级IC器件的极限低温-40℃的，不能满足要求，这样要求选择合适的裸片进行封装。

高温散热（85℃）：

外形尺寸：

25.4X25.4X10mm（1X1X0.4inch）的表面积，用铜材，1.8W的温升近似等于18℃，取环境温度为85℃时，开关管的结温等于85℃+18℃=113℃。

若选择最高结温等于150℃的开关管，则余量为37℃。

在保证效率为88%的条件下，采用铜材外壳和加灌导热胶的方式可以满足高温运行，其结构示意图如图3.1所示：

图3.1模块整体结构示意图

由于外形尺寸较小，这样采用四层PCB布线，元器件采用双面表贴安装，变压器也采用表贴变压器；

采用线圈控制同步整流管，去除传统采用同步整流IC控制。

要做到损耗小，在遴选器件必须考虑以下几方面：

低损耗的控制芯片；

ESR和ESL均为较小的磁介电容；

低损耗的MOSFET管（低导通电阻、小的栅极电荷）；

低损耗的高频磁芯；

低损耗的整流器件，采用同步整流技术。

3.2解决方法

方案一:

完全摒弃传统的反馈技术，采用全新的控制芯片LT3748控制

LT3748的主要优点为:

（1）临界导电模式/变频控制。

①消除了整流二极管的反向恢复电流造成的损耗；

②由于临界模式和变压器漏感的作用开关管工作在ZCS开启；

开关管的输出电容作用开关管是ZVS关断，故开关管无开关损耗，只有导通损耗；

③减少开关管输出电容的功耗。

（2）原边电压反馈技术，无需光耦或变压器第三绕组和基准电源TL431;

提高效率和可靠性，减少了非线性误差、成本以及体积。

（3）提供低电压驱动，7V的驱动电压，大大减少了驱动功率；

与15V驱动相比，驱动功率减小3/4。

（4）改电压型误差放大为跨导型误差放大。

优点：

抗干扰能力强、响应速度快、稳定性好

不足：

静态误差大，调整率要求高的系统不能用；

输入失调电压和输入偏置电流特性差，因此需要温度补偿技术，而LT3748带有温度补偿技术很好的解决了这个问题。

（5）峰值电流控制模式，可以满足宽输入电压范围：

12.5~50V。

（6）采用COS技术，使得芯片的功耗很小：

静态工作电流为1.3mA.在最大电压Vin=50V，功耗为50×

1.3mA=65mW。

（7）温度补偿技术：

系统可在宽温度范围内保持稳定。

即开环增益几乎与温度无关。

这就是为什么芯片的测试温度范围为-50℃~125℃的原因。

（8）轻载DCM工作模式，减小空载和轻载的损耗。

LT3748的主要缺点为:

（1）由于采用变频控制，变压器工作在临界模式，电流峰峰值大，在MOS关断时电流会有振荡，故MOS的关断损耗很大。

（2）由于变压器工作在临界模式，输入电压时工作频率较低，输入电压高时工作频率较高，这样在高输入电压时由MOS管的DS结电容引起的开关损耗会很大，而且变压器的漏感也会增加MOS管的DS两端电压，这样要实现宽范围高效就很困难。

（3）由于变压器工作在临界模式，输入电流的纹波会很大。

（4）由于上面的3个原因，在选择工作频率时越低越好，这样要求磁芯会很大，体积会增大。

技术难点及解决方法：

（1）在高压输入时的效率问题是个难点。

随着输入电压的升高，工作频率会增加，由MOS关断电流振荡及MOS管的DS结电容引起的关断损耗会增大，这样很难满足高压输入效率的要求。

尽量增大磁芯，降低工作频率，在原理样机中15W采用ER14.5的磁芯，30W采用ER18的磁芯，为了提高效率拟在下一步实验中15W采用ER18的磁芯，30W采用ER23的磁芯。

（2）同步整流驱动问题是个难点。

由于变压器工作在临界模式并且采用线圈控制同步整流驱动MOS，若驱动电压过高造成有环流现象，使得效率变低；

若驱动电