介紹了DC/DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，電源的拓?fù)洳捎萌珮螂娐穲D拓?fù)?、倍流同步整流方式。設(shè)計(jì)了一款為工業(yè)處理器供電的板載電源產(chǎn)品，進(jìn)行了功率器件的選型并對(duì)影響電源效率的主要功率損失進(jìn)行了分析，完成此款電源產(chǎn)品的PCB設(shè)計(jì)。最終的分析結(jié)果顯示，此款電源產(chǎn)品的電性能參數(shù)符合客戶的預(yù)期效果，并成功應(yīng)用在工業(yè)處理器供電設(shè)備上。

0引言

隨著微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器的不斷發(fā)展，對(duì)芯片的供電電源的要求越來(lái)越高，不論是功率密度、效率和動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面都有了新要求，特別是要求輸出電壓越來(lái)越低而電流卻越來(lái)越大。輸出電壓會(huì)從過(guò)去的3.3 V降低到1.1～1.8 V之間，甚至更低。從電源的角度來(lái)看，微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器等都是電源的負(fù)載，而且它們都是動(dòng)態(tài)的負(fù)載，這就意味著負(fù)載電流會(huì)在瞬間變化很大，從過(guò)去的13 A/μs到現(xiàn)在的30 A/μs～50 A/μs，這就要求有能夠輸出電壓低、電流大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的變換器［1］。

根據(jù)客戶需求，對(duì)SYNQOR半磚電源模塊產(chǎn)品進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化替代，在進(jìn)行產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)前，需要對(duì)標(biāo)稱(chēng)48 V輸入5 V/60 A輸出的半磚模塊電源進(jìn)行效率估算，以保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可行性，此次產(chǎn)品設(shè)計(jì)以SYNQOR品牌PQ60050HZ60型號(hào)為參照完成國(guó)產(chǎn)化模塊替代的任務(wù)，以下針對(duì)客戶需求的半磚模塊電源進(jìn)行效率論證。根據(jù)客戶需求并考慮通信電源的電壓總線要求，此次對(duì)標(biāo)稱(chēng)48 V輸入5 V/60 A輸出的半磚模塊電源進(jìn)行效率可行性論證。

1需求說(shuō)明

根據(jù)客戶的需求具體電性能參數(shù)要求如下：

（1）輸入電壓范圍：40 V~70 V；

（2）輸出電壓：5 V；

（3）輸出電流：60 A；

（4）效率：≥91%（48 V或40 V輸入、滿載輸出情況下）；

（5）工作溫度：-40℃~+80℃；

（6）模塊體積：長(zhǎng)61 mm，寬57.9 mm，高12.7 mm（半磚模塊）。

2方案原理介紹

根據(jù)目前大電流輸出的電路拓?fù)湫问?，此次設(shè)計(jì)主要考慮全橋、半橋拓?fù)?、電壓、電流饋電式全橋拓?fù)潆娐沸褪剑捎诓捎秒娏?、電壓饋電式拓?fù)洌▍⒄誗YNQOR電源的拓?fù)湫褪剑?qū)動(dòng)處理復(fù)雜，且在輸出端使用同步整流電路后，關(guān)機(jī)時(shí)驅(qū)動(dòng)電路邏輯時(shí)序錯(cuò)誤很難解決，理論上輸出不需要額外的濾波電感，但是輸出不加濾波電感的情況下，輸出電壓紋波存在明顯的電壓陷落，影響電源的正常使用，輸出電壓的紋波極大，同時(shí)雙級(jí)電路的器件復(fù)雜度高，半磚體積（長(zhǎng)61 mm，寬57.9 mm，高12.7 mm）內(nèi)器件密度較高，對(duì)器件的工藝水平要求較高，所以此次選用全橋電路實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案。

（1）電壓饋電式全橋拓?fù)?/p>

電壓饋電式全橋電路所示，電壓饋電Buck全橋變換器是在全橋電路變換器前串接了Buck變換器，而輸出經(jīng)整流器后直接輸出濾波電容，這樣直流輸出電壓就是變壓器次級(jí)電壓峰值(忽略整流管導(dǎo)通壓降)，這樣全橋開(kāi)關(guān)管可以不用脈寬調(diào)制，保持100%左右的占空比輸出，只對(duì)Buck電路中的開(kāi)關(guān)管進(jìn)行脈寬調(diào)制就可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出。

全橋同步整流半波整流電路中Q1、Q4為一對(duì)，由同一組信號(hào)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)導(dǎo)通或關(guān)斷；Q2、Q3為另一對(duì)，由另一組信號(hào)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)導(dǎo)通或關(guān)斷。兩對(duì)開(kāi)關(guān)管輪流通斷，在變壓器原邊線圈中形成正負(fù)交變的脈沖電流，經(jīng)過(guò)變壓器把能量傳輸?shù)捷敵龆?，輸出端使用中心抽頭方式進(jìn)行半波整流。

全橋同步整流倍流整流電路中，Q1、Q4為一對(duì)，由同一組信號(hào)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)導(dǎo)通或關(guān)斷；Q2、Q3為另一對(duì)，由另一組信號(hào)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)導(dǎo)通或關(guān)斷。兩對(duì)開(kāi)關(guān)管輪流通斷，在變壓器原邊線圈中形成正負(fù)交變的脈沖電流，經(jīng)過(guò)全橋變壓器把能量傳輸?shù)捷敵龆?，輸出端使用倍流整流方式，變壓器輸出端繞組匝數(shù)和中心抽頭方式半波整流形式更少，且實(shí)現(xiàn)難度更小，低壓大電流輸出時(shí)效率更高，設(shè)計(jì)低壓大電流變換器時(shí)推薦使用此種整流方式。

綜合以上分析，此次產(chǎn)品基于全橋拓?fù)漭敵霰读魍秸麟娐沸问竭M(jìn)行效率分析計(jì)算。

3產(chǎn)品效率分析計(jì)算

3.1產(chǎn)品電性能指標(biāo)

電源輸出功率：Po=300 W；

最低輸入電壓：Vinmin=40 V；

標(biāo)稱(chēng)輸入電壓：Vin=48 V；

最高輸入電壓：Vinmax=70 V；

輸出電壓：Vo=5 V；

輸出電流：Io=60 A；

電源工作頻率：f=200 kHz。

3.2功率器件損耗分析

（1）變壓器設(shè)計(jì)

變壓器原副邊匝比為Nps；

變壓器原邊匝數(shù)為Np；

副邊匝數(shù)為Ns；

理論最大占空比為Dmax1=0.8；

其中：η為變壓器預(yù)估效率，典型值取為0.98；K0為磁芯窗口利用系數(shù)，典型值為0.4左右；Kf為波形系數(shù)，有效值與平均值之比，方波為4；Bm為變壓器工作磁通密度，一般軟磁鐵氧體取值在0.2 T~0.4 T之間；f為變壓器的開(kāi)關(guān)頻率，此產(chǎn)品設(shè)定的典型值為200 kHz；

j為變壓器繞組的電流密度系數(shù)，允許溫升25℃~35℃情況下，電流密度為500 A/cm2。

計(jì)算得出：

AP≈0.2 cm4

為了使繞組線圈的窗口面積余量更大，選用EQI30的磁材,查詢(xún)磁材手冊(cè)得出：Aw=50 mm2；Ae=100 mm2，由以上計(jì)算結(jié)果得出：AP1=AwAe＞AP，符合設(shè)計(jì)要求。

電源變換器在標(biāo)稱(chēng)48 V輸入電壓、開(kāi)關(guān)管工作在最大占空比的情況下，計(jì)算變壓器原邊線圈的最小匝數(shù)為：

由計(jì)算結(jié)果得出：

△Bm≤2Bm

查詢(xún)磁材手冊(cè)得知該磁材在100℃下，工作頻率為200 kHz，磁通密度為0.125 T情況下，軟磁鐵氧體磁芯的單位體積損耗為：

Pv=0.15&TImes;10－3 W/mm3；

查得該磁芯體積為Vfe=4 170 mm3，根據(jù)公式計(jì)算得出變壓器鐵損為