低压大电流电源电路的设计

低压大电流电源电路的设计

陈东东

山拖农机装备有限公司    山东济宁  272000

【摘要】大规模集成电路正常工作时，要求VRM应具有较低的输出电压和较大的输出电流时还需满足效率高、动态响应速度快等特点，为了满足上述需求，低压大电流DC-DC变换器成为开关电源的主要研究发展方向，当今低压大电流同步整流DC-DC变换器已经得到了广泛的应用。本文主要介绍了低电压大电流同步整流DC-DC变换器设计过程中所遇到稳压的挑战、散热的挑战、输入噪声的挑战和低成本要求的挑战等方面的问题，并且已经得到解决。同时运用了多相技术、板载电源、同步整流和副边控制等新技术，做出了一种低压大电流同步整流DC-DC变换器的设计方案。

【关键词】开关电源；同步整流；多相技术；变换器

一、前言

为了处理日益增加的、更为复杂的适时计算，当今的通信系统中采用了大量高功率计算IC，包括CPU、现场可编程逻辑门阵列以及存储器。对计算的速度增长的需要促使时钟频率及供电的电流相应增加，某些设备的供电电流已超过100A。随供电电流增加，而供电电压却反而呈下降的趋势，这大多半是由于计算设备这时可以用较好的线宽工艺制造。此外，低压大电流对功耗也是十分敏感，所以对开关电源设计者而言，需要运用较为先进的器件、技术、材料、工艺来逐步减小电源的体积以及重量，改善电气性能的指标，提高工作的可靠性，减轻对电网的污染，解除对别的设备的干扰，增强智能化程度等是其基本发展方向。

二、主要的电路拓扑

1  双管正激和双正激变换器双正激变换器常由两个双管的正激变换器组成，双管的正激变换器具有不会出现共态的导通、不会出现不稳定直流的磁化、易于从空载至满载运行、技术问题少、可靠性能良好等优点因而最早被重视。但是双正激要多采用二极管、变压器和电感等元器件。双管正激的变换器在功率较小时也可简化。

双管正激变换器由于磁芯复位的需要，占空比必须小于50％，从而造成了在大功率场合，变压器次级的高压给高频整流二极管的选择较困难。通常的采用串联多个二极管来解决均压问题，但难以解决动态均压。而有两个双管正激变换器组成的双正激变换器能够较好的解决高频二极管的动态均压问题。

2半桥变换器电路与典型的双正激相比器件较少，也可以用两个半桥电路串联在输入侧，承受了高输入的电压，合用了一个变压器，其具有两个初级绕组，组成复合半桥变换器，用于大功率的使用。如今因开关管的关断速度较快，共态的导通问题比较容易得到解决。使用电流控制型的芯片来控制时上下管产生了不对称，也可以妥善解决，能够保证可靠性，应用也越来越普遍。

变压器起到隔离和传递能量的作用，工作时变压器原边承受的电压为输入电压的一半。由于两个MOS管是交替打开的，所以两组驱动脉冲的相位相差应大于180°，故存在一定死区时间。此电路减小了原边调整管的电压应力，是目前比较成熟和常见的电路。

以上方案采用PWM控制，容易实现负载在宽范围(例如含轻载和空载)内变化条件下可靠运行。

3移相全桥变换器电路 用移相控制来实现PWM原理调节输出电压，在不增加功率晶体管情况下就可实现ZVS具有相当高的效率。但基本电路在轻载和空载时，零电压转换有困难，可靠性降低。大系统的通信电源负载电流变动较小，且多台并联运行，可调整运行台数，避免轻载运行。移相调宽的全桥变换器电路使得功率器件的零电压开通与准零电压关断实现，硬开关模式所固有的缺陷得到解决，损耗降低，效率较高。

三、输入电路基本技术

1  输入电路倍压整流技术 隔离式开关电源是直接对输入的交流电压进行整流，而不需要低频线性隔离变压器。现代的电子设备生产厂家一般都要满足国际市场的需求，所以他们所设计的开关电源必须要适应世界范围的交流输入电压，通常是交流90-130v和180-260v的范围。为了实现两种输入电源的转换，要利用倍压整流技术。

2  输入电路保护器件隔离式的开关电源在加电时，会产生出非常高的浪涌电流，设计者就必须针对电源输入端来采取某些限流的措施，才能有效地把浪涌电流降至可行的范围。浪涌电流产生的原因主要是滤波的电容充电，在开关管刚导通的瞬间，电容对于交流电呈现出非常低的阻抗，如果不采取一定的保护措施，浪涌电流可达到几百安培。

通常广泛采用的措施有两种，一种方法是利用电阻-双向可控硅并联网络；另一种方法是使用负温度系数的热敏电阻。用以增加对交流线路的阻抗，把浪涌电流减小到安全值。

四、输出整流滤波电路

1  正激式整流电路 图1中T1为开关变压器，其初极和次极的相位同相。D1为整流二极管，D2为续流二极管，R1、C1、R2、C2为削尖峰电路。L1为续流电感，C4、L2、C5组成π型滤波器。

图1正激整流电路

2  反激式整流电路T1为开关变压器，其初极和次极的相位相反。D1为整流二极管，R1、C1为削尖峰电路。L1为续流电感，R2为假负载，C4、L2、C5组成π型滤波器。

图2反激整流电路

五、结束语

通过对低压大电流电源电路的深入分析，给出了各个工作模式下的静态电路模型。分析了变换器电路工作过程中可能存在的问题，熟悉了变换器电路以及其他硬件电路的设计方法。总之，它与传统方法相比降低了成本，并可以得到更好的性能。对于有隔离的电源，同步整流和副边控制技术也正由于它们的效率高和快速瞬态响应的特性而被普遍采用。

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