高可靠混合集成DC/DC變換器（5V/3A）的設計

3電路設計

3．1主要元器件

DC/DC變換器的主要元器件是脈寬調(diào)制器PWM、變壓器、隔離反饋電路以及開關管和整流管。HB2805S15的PWM選用UC1825A，隔離放大器選用UC1901，變壓器和電感選用TDK的PC40材料系列的罐型磁芯。

UC1825A是電壓／電流型PWM控制器，輸出峰值電流2A，開關頻率可達到1MHz，誤差放大器的單位增益帶寬12MHz，具有逐個脈沖電流限制，軟起動和最大占空比可設置，可用于雙端推挽DC/DC變換器。

UC1901隔離放大器是一個脈沖幅度調(diào)制（AM）電路，它包括基準源、誤差放大器、振蕩器、乘法器，最高振蕩頻率5MHz。

PC40系列是TDK公司的產(chǎn)品，其導磁率高，高頻損耗小。

3．2開關頻率定時元件計算

開關頻率高，元器件的開關損耗大，影響效率η；開關頻率低不利于小型化，經(jīng)過計算和實驗，開關頻率定為300kHz。UC1825A的定時元件電阻和電容由式（2）和（3）計算確定：RT=(2)CT=(3)

式中：RT——定時電阻，Ω；

CT——定時電容，F(xiàn)；

Dmax——最大占空比；

f——開關頻率，Hz。

3．3元器件設計

（1）變壓器的設計

變壓器是DC/DC變換器的重要元件，主要技術參數(shù)是初次級匝數(shù)比(n=Np／Ns)和初次級的電感量（Lp，Ls）。變壓器的初級匝數(shù)和次級匝數(shù)由下式得到：Np≥(4)Ns=(5)

式中：Vimax——最大輸入電壓，V；

Vimin——最小輸入電壓，V；

Bm——飽和磁通密度，T；

Ae——磁芯截面積，m2；

VF——整流管正向壓降，V；

VO——輸出電壓，V。

（2）輸出部分的設計

輸出部分主要是輸出電感L和輸出電容C構成的LC低通網(wǎng)絡，電感量和電容值由下式求得：L≥(6)

式中：ΔIL——電感脈動電流（一般取值ΔIL=(10％

～25％）IOmax），A；

Dmin——最小占空比。C≥（F）(7)

式中：ΔVOmax——輸出最高紋波電壓，V。

（3）開關管和整流管

開關管的最大電流IPmax由下式求得：IPmax=(IOmax＋)＋IM(8)

式中：IM——勵磁電流，A；

IOmax——變壓器最大輸出電流，A；

開關管耐壓VB：

VB≥2Vi(9)

整流管的最大峰值電流IFM：IFM≥IOmax＋(10)

整流管的反向截止電壓VRR：VRR≥2即：VRR≥2Vimax(11)

本電路輸出電壓低電流大，選用肖特基整流管。

4可靠性設計

主要對電路中的功率元器件進行降額設計和版圖的熱設計。

4．1功率元器件的降額設計

由3．3節(jié)中的設計公式計算出各元器件的實際要求數(shù)值，按降額等級（Ⅰ級）選取元器件。

（1）磁性元件的設計

變壓器和濾波電感是DC/DC變換器的主要發(fā)熱源，承載著很大的功率，本電路選用TDK的PC40材料系列的罐型磁芯。

PC40材料的主要參數(shù)：

導磁率μ=2300

居里溫度Tc≥215℃

飽和磁通密度Bs=5100Gas(25℃)

Bs=3900Gas(100℃)

電路設計中變壓器磁通密度的實際取值是Bs=1600Gas，達到Ⅰ級降額標準。