寬范圍DC-DC轉(zhuǎn)換器為軍用電子設(shè)備供電

先進(jìn)的電源轉(zhuǎn)換拓?fù)淇蓪?shí)現(xiàn)寬輸入電壓范圍和高效率，使模塊化DC-DC轉(zhuǎn)換器能夠滿足軍用電源總線要求并簡(jiǎn)化電力電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

現(xiàn)代軍用車輛和飛機(jī)上裝滿了敏感的電子設(shè)備。車輛中的電力通常是從車輛電池中獲取的24伏直流（VDC），而在飛機(jī)上可能是28 VDC，270 VDC，甚至115伏交流電（VAC），但這種電源總線是未調(diào)節(jié)的，嘈雜的，并且受電壓瞬變的影響。隔離式電源對(duì)于轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)構(gòu)成每個(gè)電子設(shè)備的分立電氣元件（如FPGA、存儲(chǔ)器和顯示器）所需的許多電壓是必要的。進(jìn)度和成本壓力推動(dòng)了向使用現(xiàn)成DC-DC轉(zhuǎn)換器的模塊化電源解決方案的轉(zhuǎn)變。隨著趨勢(shì)繼續(xù)朝著更小、更高效、更高性能的電子設(shè)備發(fā)展，將電壓瞬態(tài)能力直接集成到DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊中可以簡(jiǎn)化電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并在效率、尺寸和重量方面提高整體系統(tǒng)性能。

嘈雜的電源總線

MIL-STD-1275，目前是修訂版 E，用于管理 24 VDC 軍用車輛電源。即使電壓取自車輛的電池，它也不是簡(jiǎn)單的直流電壓。MIL-STD-1275規(guī)定了各種瞬態(tài)條件，這些條件必須考慮在可靠的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)期間，電壓在初始嚙合浪涌期間可以急劇下降到12 V，然后在16 V的啟動(dòng)水平上保持長(zhǎng)達(dá)30秒。修訂版 D 將更嚴(yán)重的初始嚙合浪涌調(diào)至 6 V.開關(guān)負(fù)載可能導(dǎo)致持續(xù)時(shí)間短、有限能量的電壓尖峰，峰值高達(dá) +/-250 V，通常由接線電感引起。這些尖峰通常可以被夾緊或過(guò)濾。較長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間和更高的能量電壓浪涌可能是由較大的開關(guān)負(fù)載或交流發(fā)電機(jī)上的階躍負(fù)載引起的。交流發(fā)電機(jī)負(fù)載突降就是一個(gè)典型的例子，其中大負(fù)載（如電池）突然斷開連接。交流發(fā)電機(jī)不能快速降低其輸出，而是將要為電池充電的能量放入28 VDC總線，從而導(dǎo)致較大的電壓浪涌。這種類型的浪涌不能被鉗位或過(guò)濾。例如，它必須用串聯(lián)通過(guò)器件（例如金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET））來(lái)阻擋;更優(yōu)選的是，它必須落在下游電子設(shè)備的輸入范圍內(nèi)。

軍用飛機(jī)的動(dòng)力由MIL-STD-704控制，目前為修訂版F。雖然270 VDC和115 V，400 Hz AC的電壓很常見，但為嵌入式電子設(shè)備供電時(shí)通常遇到的電壓為28 VDC。MIL標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)說(shuō)明了正常，異常和緊急操作以及電啟動(dòng)。每種模式都包含穩(wěn)態(tài)電壓范圍和可能的瞬變。修訂版F中的最大瞬變?yōu)?0 V;但是，修訂版A（某些設(shè)備仍必須符合）包括80 V瞬變。異常操作包括七秒壓差，盡管由于通過(guò)該壓差的不間斷操作需要大量能量存儲(chǔ)，例如保持電容器組或電池，因此允許某些設(shè)備關(guān)閉并重新啟動(dòng)。

表1和表2顯示了MIL-STD-1275和MIL-STD-704的各種工作模式和相關(guān)電壓電平。每個(gè)應(yīng)用可能不需要在每個(gè)條件下運(yùn)行，但結(jié)合最壞情況的值，軍用車輛的總電壓變化可能高達(dá)6 V至100 V，飛機(jī)的總電壓變化可能高達(dá)12 V至80 V。這是DC-DC轉(zhuǎn)換器工作的寬電壓范圍。商用和電信DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊的輸入范圍通常僅為18 V至36 V。甚至一些針對(duì)軍事的模塊也只是略微擴(kuò)展了該范圍，但仍然沒有直接插入軍用動(dòng)力總線。通常的解決方案是以分立電路或單獨(dú)模塊的形式添加額外的輸入瞬態(tài)保護(hù)。這種增加的復(fù)雜性與縮小電子產(chǎn)品的目標(biāo)背道而馳。理想的解決方案是DC-DC轉(zhuǎn)換器直接處理這些瞬態(tài)電壓。

表 1 和表 2：MIL-STD-1275E 和表 2 |軍用-標(biāo)準(zhǔn)-704F.

拓?fù)溥x擇

大多數(shù) DC-DC 轉(zhuǎn)換器模塊使用降壓派生的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如正激式、推挽式、半橋式或全橋式。這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)廣為人知，并且具有良好的效率。然而，它們?cè)趯捿斎腚妷悍秶鷥?nèi)往往工作不充分，這主要是由于轉(zhuǎn)換比有限和開關(guān)上的高壓應(yīng)力。

一個(gè)簡(jiǎn)單的替代方案是反激式拓?fù)?。反激式是最?jiǎn)單的隔離式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有一個(gè)主開關(guān)、一個(gè)次級(jí)開關(guān)和一個(gè)用于隔離和能量存儲(chǔ)的磁性元件。其轉(zhuǎn)換比為n?D/（1-D），其中n為變壓器，D為占空比。它的實(shí)際范圍為0.1n至3n。這比降壓派生拓?fù)涞霓D(zhuǎn)換比要寬得多，后者為n?D，實(shí)際范圍為0.1n至0.9n或更小。反激式還在其初級(jí)和次級(jí)開關(guān)上保持低電壓應(yīng)力。

雖然反激式在寬范圍應(yīng)用中表現(xiàn)出色，但它通常被認(rèn)為是低功耗或低效率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。主要原因是它具有脈動(dòng)輸入和輸出電流。這導(dǎo)致輸出電容中的高均方根電流，從而導(dǎo)致高輸出紋波。它還會(huì)在主開關(guān)和輸出整流器中產(chǎn)生高峰值和均方根電流，從而導(dǎo)致效率降低。一旦解決了這些缺點(diǎn)，反激式拓?fù)涞膬?yōu)勢(shì)就可以實(shí)現(xiàn)。

修復(fù)反激式

隨著功率的增加，脈動(dòng)輸出電流很麻煩，但超低等效串聯(lián)電阻（ESR）電容器（多層陶瓷或固體鉭）是輸出的良好選擇。這些電容器可以可靠地處理高均方根電流，并提供低電壓紋波。第二級(jí)L-C濾波器進(jìn)一步降低了輸出紋波。

輸出整流器中的高損耗可通過(guò)同步整流進(jìn)行補(bǔ)救。輸出整流二極管被一個(gè)低導(dǎo)通電阻、低柵極電荷 MOSFET 所取代。然后，MOSFET 與主開關(guān)同步切換為異相。MOSFET上的壓降和功率損耗可能低于肖特基整流器的壓降。訣竅是定時(shí)MOSFET的柵極，以最大限度地降低功率損耗。自驅(qū)動(dòng)方案（柵極由變壓器驅(qū)動(dòng)）和集成解決方案在高頻反激式轉(zhuǎn)換器中往往不能很好地工作。從脈寬調(diào)制 （PWM） 控制器同時(shí)驅(qū)動(dòng)初級(jí) MOSFET 和同步 MOSFET 可實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)序，這是將功率損耗降至最低的關(guān)鍵。（圖 1。必要的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以跨隔離邊界以數(shù)字方式傳輸。

圖 1：反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有次級(jí)側(cè)脈寬調(diào)制 （PWM） 和控制驅(qū)動(dòng)的同步整流器，可實(shí)現(xiàn)最佳效率。

在較高的功率水平下，反激式拓?fù)淙匀皇且粋€(gè)不錯(cuò)的選擇。而不是加強(qiáng)組件，而是并行添加多個(gè)功率級(jí)。然后，這些級(jí)被異相操作，從而實(shí)現(xiàn)輸入和輸出電流紋波消除。抵消效應(yīng)顯著，大大降低了電容器中的均方根電流。它還增加了紋波頻率，進(jìn)一步減小了濾波器尺寸。

尺寸、重量和功率問(wèn)題

提高功率轉(zhuǎn)換效率不僅可以節(jié)省能源，而且通過(guò)減少作為熱量耗散的功率，簡(jiǎn)化熱設(shè)計(jì)，甚至減小布線尺寸，該技術(shù)可以減輕重量。功率轉(zhuǎn)換效率通?？梢酝ㄟ^(guò)增加尺寸來(lái)提高，但巧妙的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)更小的尺寸和更高的效率。將全輸入電壓瞬態(tài)順應(yīng)性直接集成到 DC-DC 轉(zhuǎn)換器中，可減小尺寸和復(fù)雜性，最終提高可靠性。

這些寬范圍隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器的例子可以在VPT Inc.的VXR系列中看到，其輸入電壓范圍為9 V至60 V，可以處理高達(dá)100 V的瞬變，并實(shí)現(xiàn)高達(dá)90%的效率。

審核編輯：郭婷