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現代電子技術發展很快，半導體供應商不斷推出新器件，從而推動電子應用工程師的不斷創新設計，以滿足市場的日益需求。本文介紹的即是基于客戶的需求，應用美國國家半導體公司的新型電流型PWM芯片LM3478及基于SEPIC升降壓原理實現的50W DC-DC 適配器。該適配器的主要特點是：直流輸入電壓范圍極寬；輸出功率大；保護功能全；輸出紋波小；效率高；工作穩定可靠；應用范圍廣。 SEPIC型變換器 SEPIC的電氣原理簡圖如圖1所示。 通常稱之為升降壓變換器SEPIC的簡單原理如下：當SW開通時，加在L1，L2上的電壓均為Vin，此時Cp并在L2上，且有Cp上的電壓與L2上的相等。當SW關斷時，L1中的電流繼續沿著Cp、D1流向Cout輸出到負載，同時L2的電流也流向D1、Cout輸出到負載。在此期間，通過L1、L2的電壓均等于輸出電壓Vout。由SEPIC的原理可推出基本關系式：Vout/Vin＝D/(1-D)。式中D為占空比，且忽略SW及L1等的壓降。 LM3478 LM3478芯片的主要特點： 寬輸入電壓:2.79—40VDC 高工作頻率:100KHz—1MHz 微型封裝:MSOP-8 驅動電流:1A 內部限制:OCP,OVP,LVP,OTP 工作溫度:-40℃—+125℃ 50W DC-DC變換器設計 該變換器的主要技術要求： 直流輸入電壓范圍：9-60VDC 輸入電流：＜6A(9VDC) 直流輸出電壓：12VDC% 直流輸出電流：3.5A 輸出紋波電壓：＜100mV RMS 額定功率：42W 峰值功率：50W 電源效率：典型值85%；滿負載 保護型式：電流限制功率保護 輸出過流保護：＜4.2A 輸出過壓保護：由LM3478控制 工作溫度范圍: -20℃—＋70℃ 安規及EMC符合國際標準 高可靠性MTBF＞100,000小時 外型及尺寸：塑殼式；1024625(mm) 50W DC-DC 變換器的電氣原理圖如圖2所示。 該電路是基于SEPIC拓撲、應用LM3478芯片按照客戶的技術要求設計的。在該電路中，考慮到適配器的體積及儲能電感磁性材料的體積，選定工作頻率Fs＝250KHz。 計算儲能電感L3、L4的電感量及磁芯選擇 首先由公式：D＝Vout/(Vout+Vin)計算占空比。由于最嚴酷條件下的電感紋波電流是在最大輸入電壓下，所以D＝12/(12+60)≈0.167。 計算儲能電感l3、L4：正常情況下，L4的大小在確保最小負載電流下使電感電流連續，且輸出紋波滿足指標要求。為此，我們假定在20%最小負載電流下，允許有40%的峰-峰值紋波電流流過L4。 C1、C2為輸入濾波，Q1、DZ1、DZ2、D1-1構成啟動電源，L3、L4為儲能電感，Q2為功率MOSFET，IC為PWM驅動芯片，R5為頻率調整電阻，C3、C4、R2為反饋補償，R3、R4為反饋分壓電阻，R7為過電流取樣電阻，C8、C9為SEPIC電容，R8、R9、C6、C7為吸收網絡，D2為輸出整流二極管，C10、C11、C12為輸出濾波電容。當然要想符合EMC要求，輸入端還應該有共模電感，差模電感，及X、Y等安規電容。 L＝Vdt/di； 其中dt＝1/FsD＝1/(250103)0.167≈0.668，V為Vin在MOSFET開通時的值。因此，有如下計算： L4＝60(0.66810-6/0.4)＝100.2μH。取100μH的標稱值。由該SEPIC原理及設計經驗可知，作為倆個分離的儲能電感，L3的取值也為：100μH。 由于該電感為儲能電感，因此，對磁性材料的選取要特別注意。此處選擇的材料為：Magnetic公司的Kool Mu，相同性能的材料，其他公司又稱鐵硅鋁。參數如下： 料號：77381-A7，黑色 尺寸：17.279.656.35(mm)，為環型磁芯 電感因數AL：43(nH/N2)，N為圈數 由公式：L＝ALN2，可以計算出電感圈數為： 48圈，且用AWG18號線繞制。L3、L4相同參數。 Magnetic公司的Kool Mu材料，損耗少，相對成本低，也可以選同規格其他廠商鐵硅鋁材料。如果想進一步降低成本也可以選用國產的鐵硅鋁材料。 上述L3、L4為兩個分離電感設計，也可以共用一個儲能磁環，只是此時由于耦合電感的存在，計算的電感值為上述值的一半，為50μH。但成本低些。 PCB注意事項 由于為高頻DC-DC變換,因此，PCB布線很重要。區分功率地與信號地的匯流點，驅動IC與MOSFET的關系，輸入濾波與輸出濾波的位置等。同時注意分離元件及貼片元件的位置關系。還要考慮散熱器的形狀及散熱面積。 關鍵元器件的選擇及說明 功率MOSFET的選擇：N-FET，極低導通電阻，低門極驅動電壓：5V—7V，符合PWM-IC要求，TO-220AB封裝，100V/85A，結溫175℃。型號為VISHAY：SUP85N10-10。 肖特基整流二極管的選擇：型號為MBR20100CT，封裝為TO-220AB，100V/20A，正向壓降低。 輸入、輸出濾波電解電容可由計算公式或經驗選取。C8、C9可由計算公式或實驗選擇。取樣電阻的參數可由計算及實驗來確定。 樣機調試中發現的問題及解決方法 按照上述原理及計算參數進行PCB的焊接及調試。發現問題如下： 由LM3478芯片的特點及典型的EPIC應用來看，比較適合功率等級20W以下的DC-DC變換器。而此處設計成50WDC-DC變換器，發現PWM驅動MOSFET有些困難，波形畸變及MOSFET功耗大，解決的方法為：在IC的6腳與MOSFET的柵極之間加入一級驅動放大，即由NPN和PNP對管組成的放大級。 L3、L4均取100μH的電感量在工作時發現：在輸出輕載或空載時，輸出紋波過大。經試驗發現由電感L3引起的，根據經驗及分析將L3的電感量降為50mH即可解決問題。 IC的2引腳COMP對地的補償參數C3、C4、R2：若按典型參數試驗，發現樣機有噪聲且不穩定，經試驗將C2去掉，結果沒有噪聲且工作穩定。 取樣電阻R7：由于IC的特點使取樣電阻的閥值很低，而且該DC-DC的功率相對較大，致使取樣電阻R7的選取比較困難，為了降低成本選用微阻抗電阻。 結語 通過對該DC-DC變換器的拓撲結構及驅動IC的選擇，設計出了滿足技術要求的50W適配器，雖然調試過程中遇到了一些問題，經過試驗分析得到了解決。從實際應用來看，用此原理設計出50W的電源已經很有優勢了。下一步還要考慮EMC及安規問題來滿足國際市場的要求。實驗表明，該適配器可用于寬輸入電壓范圍的DC-DC變換器及對蓄電池充電的場合。 |
