低压大电流开关电源的研制

邢变丽

摘要：文中针对一种微电路模块宽电压输入、低压大电流输出开关电源电路进行了理论分析，并对调试过程中出现的技术问题进行总结。介绍了该产品的电路原理以及产品特点，并进一步论证低压大电流开关电源在调试过程中出现的问题和解决方案。

关键词：宽输入电压；低压大电流开关电源 ；同步整流电路；

1 概述

近年来，随着开关电源技术的不断发展，模块电源功率越做越大、效率越来越高、体积越来越小，对我们研发提出了更高的要求。该模块电源是将9V～36V的输入电压隔离转换为+5V/30A的电源模块，同时具有欠压、过压、过流、短路等功能，满足市场需求。

2 设计原理

该产品采用有源钳位同步整流正激式DC/DC的拓扑结构，由输入滤波电路、倍压整流电路、功率变换电路、同步整流滤波电路、PWM控制电路、取样和反馈稳压电路、辅助电源供电电路和保护电路。电路原理图如图1所示。

图1 电路原理图

结合本次设计低压输入时，输入电流大以及输出电流大的特点，产品采用有源钳位控制芯片U1(LM5025A)产生PWM脉冲波形，为了保证MOS有足够的驱动能力，输出A采用功率MOSFET 驱动器提高输出能力，保证有足够的驱动能力，使MOS管及时导通；输出端采用同步整流输出方式的结构形式，来降低损耗；辅助电路采用在输出电感上反馈供电来关断U1内部7.6V，减少芯片功耗，根据MOS管的最佳栅源工作电压和实际调试结果，该辅助供电电压一般设定在11V左右。

由于该电路的输入电压范围宽，要使产品在三温情况下，整个输入电压范围内可靠稳定性工作，同步整流采用外加控制驱动电路，提供高质量的驱动波形，减少驱动损耗。

该产品用LM5025A作为控制IC，LM5025的最低工作电压为13V，而产品的最低工作电压为9V，为了保证在9V控制IC能正常工作，我们专门增加了倍压电路如图1 所示；经过调整倍压电路参数，输入电压8V时，供给U1的电压为13.5V，确保IC能正常工作。

该电源设计保护电路包括输入欠压、过压及输出短路、过流保护电路，下面对保护电路进行简单说明。

2.1保护电路的设计

输入过欠压保护设计如图1所示电路。输入电压经电阻分压、三极管的导通放电，反馈至LM5025A的UVLO引脚，与芯片内部2.5V基准电压进行比较，对驱动信号进行封锁，从而关断主开关管，达到保护的目的。

a．输入欠压保护的设计

LM5025A的16引脚为电路的欠压保护端，当输入此引脚的电压值小于2.5V时，芯片关断输出。通过在R16和R17的分压，实现输入欠压保护。本设计选取输入欠压保护点为8V，则：

（2-1）

本次设计选取R17为10kΩ，则R16为22kΩ。

b. 输入过压保护的设计

主要由一种电压基准源U4(TL431)和R32、R32分压取样电阻，基准源U4参考电压为2.5V，当输入电压大于40V时，电压基准源U4 电压达到它的基准电压，从而将16脚电压拉低，进而关断整个回路，达到对整个电路的保护作用。

本设计选取输入过压保护点为40V，则：

（2-2）

本次设计选取R33为10kΩ，则R32为150kΩ。

c.输出短路保护的设计

该模块电源的输出短路保护电路由电流互感器、取样分压电阻来实现。电流互感器的作用是将功率开关管上的电流转换为电压信号，输入U1的引脚3，限制、截止调制器脉宽，对电源起到保护作用。电流互感器的功率为纯功耗，因此初级匝数要少，内阻要小。本次设计选用初次级匝比为1:100的电流互感器。

d. 输出限流保护设计

LM5025A提供两种电流保护模式：逐周保护和打嗝保护。

在本次设计中同时利用了双模式，将反馈信号同时接到U1的3脚和4脚,轻载条件下触发逐周保护模式，严重过载时出发打嗝保护模式，通过调节所接电阻的值来控制保护的严格程度，以起到对DC/DC变换器更好的保护作用。

2.2热设计和工艺设计

该电路采用PCB结合铝基板组装，将功率元器件再流焊接在铝基板上，利用铝基板导热；工艺方面采用混合集成电路装配工艺；装配工艺包括贴片、焊接、粘接、封装、筛选等工序。各工序互相配合，成熟的工艺水平保证了产品质量水平及可靠性，具有一定的批生产能力和科研攻关能力。

3调试过程出现的问题以及解决方案

3.1 发现问题

将调试好的产品在输入电压为36V进行测试时，将产品带载测试后再空载，发现空载电流在1A左右，也就是说，产品的空载功耗大约40W左右，空载功耗主要消耗在电路的那一块？

3.2 解决方案

针对发现的问题,先对产品的死区电阻和前馈电阻进行调试，将前馈电阻和死区电阻调试到合适值时，发现输入电流在输入电压9V到25V时呈现减少趋势，空载功耗在2W左右；输入电压在25V到36V，空载电流呈现增加趋势，在36V时空载空耗在7W 左右，这时更改前馈电阻和死区电阻，未见任何变化；此时就在输出同步整流端进行查找问题，是不是外加控制驱动电路整流的驱动电压不够造成？在输入电压9V时，空载测试发现，刚开始空载电流大0.85A，大概一分钟左右时间，空载电流正常0.29A，根据测试情况，测试U1脚VCC电压，发现VCC电压为7.3V，尽管没有到达VCC的关断电压6.2V，也没有到达VCC的正常电压7.6V，空载功耗大是由于U1没有正常的工作，全部消耗在U1上，一分钟后，VCC电压达到8.7V，U1正常工作，空载功耗降低，由于VCC是由反馈供电，增加反馈线圈1匝，发现VCC电压没有变化，空载功耗大依旧存在，此时，在反馈线圈不增加，输入电压全范围带载测试发现VCC电压正常，效率也正常，未见异常。经过多次试验，发现问题出现在同步整流端，外接驱动器的电压为5.1V，增加驱动电压到5.6V，发现空载功耗在整个输入电压范围内正常，对比数据如表一：从数据中可以看出，产品空载电流正常，产品性能稳定，效率提高。

表一

输入电压（V）	输入电流(A)		空载功耗(W)
	异常	正常	异常	正常
9	0.43	0.29	3.87	2.61
28	0.62	0.12	17.36	3.36
36	1.11	0.11	39.96	3.96

4结语

由于该产品体积小、效率高、可靠性能优良通用性好，可替换国外同类型号，应用前景广阔；该产品输出电流大，如何更好地减小测试误差；变压器、电感与PCB一体化设计，如何更好的优化PCB布局减少纹波，电路参数更好的配置优化模块效能，元器件的国产化等。产品转换效率还有提升空间，将产品的效率提高到92%以上，是我们今后的努力方向。

参考文献：

1. 童诗白 《模拟电子技术基础》北京：高等教育出版社，2010

2. （美）普利斯曼 著，王志强 译.开关电源设计，电子工业出版社，2010

作者简介

邢变丽（1975-），女，工程师。研究方向：厚膜混合集成电路，DC/DC电源研发。E-mail:[e-mail]