基于串聯(lián)模式的24V轉(zhuǎn)75V升壓電源的設(shè)計(jì)

0 引言
某車(chē)載設(shè)備需要一臺(tái)24V轉(zhuǎn)75V的大功率直流升壓電源，首套電源設(shè)計(jì)拘泥于傳統(tǒng)的分立式設(shè)計(jì)方案，集成度差且缺乏實(shí)際驗(yàn)證，導(dǎo)致電源工作不可靠易保護(hù)，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)未達(dá)到設(shè)汁要求。在改進(jìn)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。單個(gè)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(shí)現(xiàn)。由于電源輸入電壓為+24V，因此本設(shè)計(jì)采用三個(gè)模塊串聯(lián)來(lái)得到75V電壓。DC/DC模塊輸出阻抗極低，即使是三個(gè)模塊串聯(lián)其串聯(lián)輸出阻抗相對(duì)于負(fù)載仍然可以忽略不計(jì)。

l 設(shè)計(jì)組成與工作原理
本設(shè)計(jì)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(shí)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(biāo)稱(chēng)值的范圍內(nèi)調(diào)整。單個(gè)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(gè)模塊串聯(lián)使用時(shí)可以得到一個(gè)較寬的電壓輸出范圍：50.4V～92.4V。當(dāng)三個(gè)模塊輸出均調(diào)至25V時(shí)即得到75V電壓。此時(shí)輸出電流為60025=24 A。同時(shí)本升壓電源還具有啟動(dòng)控制、電壓監(jiān)控以及過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱等一系列保護(hù)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(gè)電源模塊的應(yīng)用電路，輸入端電解電容C1為儲(chǔ)能電容，同時(shí)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(duì)電壓瞬變和沖擊起到防護(hù)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(hù)功能，對(duì)于確保模塊的工作安全意義重大。另外，配合保險(xiǎn)管使用還可預(yù)防輸入端出現(xiàn)意外反接而損壞模塊。

1.1 方案對(duì)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(dú)設(shè)計(jì)，整個(gè)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，只能采用常規(guī)產(chǎn)品，導(dǎo)致體積太大，并且整個(gè)設(shè)計(jì)未經(jīng)充分的老化試驗(yàn)和實(shí)際工作的驗(yàn)證，這樣往往需經(jīng)過(guò)多次反復(fù)修改和完善才能滿足設(shè)計(jì)要求，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。而在DC/DC模塊中，功率變壓器及H型功率橋均設(shè)計(jì)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(méi)計(jì)者只需以模塊為核心進(jìn)行一定的外圍設(shè)計(jì)，合理利用模塊的串、并聯(lián)技術(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)需求實(shí)現(xiàn)升壓或功率擴(kuò)充，即可沒(méi)計(jì)出滿足技術(shù)指標(biāo)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(shè)計(jì)周期縮短，可靠性及技術(shù)指標(biāo)大大提高。

1.2 共膜濾波技術(shù)
應(yīng)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(hào)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(qiáng)，每一線圈電感值為單獨(dú)存在時(shí)的兩倍。這樣對(duì)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(duì)共模干擾有很強(qiáng)的抑制作用，而對(duì)差模電流呈現(xiàn)極低的阻抗，因而對(duì)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(shí)也可吸收輸入端意外的電樂(lè)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(yīng)盡量短。

2 保護(hù)功能設(shè)計(jì)與電磁兼容措施
圖1中D1、D2、D3為快恢復(fù)二極管，均為串聯(lián)方式中的保護(hù)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?yīng)盡量小。
圖2中的D1、D2為T(mén)VS管(浪涌電壓吸收器)，TVS具有極短的響應(yīng)時(shí)間和相當(dāng)高的浪涌吸收能力，可抑制感性負(fù)載切換時(shí)產(chǎn)生的瞬變電壓，也可用于保護(hù)設(shè)備或電路免受靜電以及感應(yīng)雷所產(chǎn)生的過(guò)電壓的沖擊。TVS以旁路吸收的方式保護(hù)了電源系統(tǒng)，同時(shí)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(hù)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(dǎo)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(guò)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(yǔ)
分立元件設(shè)計(jì)方案中，采用的元器件種類(lèi)及數(shù)量繁多，集成度低，可靠性較差。特別是大功率的開(kāi)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(fù)雜。而模塊化設(shè)計(jì)的電源體積緊湊、形狀規(guī)則、安裝容易。依靠機(jī)箱殼體傳導(dǎo)散熱無(wú)須設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的散熱器，散熱面積大，其工作的可靠性已在實(shí)際應(yīng)用中得到驗(yàn)證。隨著DC/DC模塊技術(shù)水平的提高，各類(lèi)電源的設(shè)計(jì)手段越來(lái)越先進(jìn)，在一些要求體積小、設(shè)計(jì)質(zhì)量高、研制周期短的電源設(shè)計(jì)任務(wù)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(shè)計(jì)，不失為一種首選的設(shè)計(jì)手段。