基于LT3748的通信二次電源部分電路設(shè)計*

程桂仙 ，肖文君 ，劉萬松

（1.貴州師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550001；2.貴陽市汽車電子技術(shù)重點實驗室，貴州 貴陽 550001；3.電子科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，四川 成都 611731）

0 引言

通信電源中一次電源是指由市電轉(zhuǎn)換成標稱值為48 V的直流電[1]，通信電源中的二次電源是指將一次電源輸出的48 V直流電，經(jīng)DC/DC高頻開關(guān)轉(zhuǎn)換，獲得通信設(shè)備內(nèi)部電路所需的直流電壓。通信電源的二次電源是通信領(lǐng)域中使用的一種高可靠性、高性能的電源，其核心器件為DC/DC變換器。依據(jù)DC/DC變換器輸入、輸出間是否具有電氣隔離可將其分為：隔離式DC/DC變換器以及非隔離式DC/DC變換器，其中隔離式DC/DC變換器采用高頻變壓器實現(xiàn)了電源初級與次級兩側(cè)的電氣隔離，使得該類開關(guān)電源不僅具有降壓、升壓且具有極性反轉(zhuǎn)的功能。通常隔離式DC/DC變換器的拓撲結(jié)構(gòu)有單端正激式、單端反激式、推挽式、半橋式及全橋式五種。

本文介紹了一種應(yīng)用于射頻收發(fā)機的通信用二次電源的部分電路。此電源基于隔離型反激式DC/DC變換器LT3748，電路中主要器件包括高頻開關(guān)管Si7464以及隔離型變壓器VP4-0047-R。最后對該設(shè)計電路的轉(zhuǎn)換效率、負載調(diào)整率、電壓調(diào)整率進行了測試。

1 開關(guān)電源LT3748

2010年，凌力爾特公司推出一款具有隔離型反激式拓撲結(jié)構(gòu)的新型開關(guān)電源芯片——LT3748。LT3748利用變壓器初級端的反激信號得到輸出電壓的反饋，免除了增設(shè)光耦合器、次級基準電壓和附加第三繞組的需要，并同時保持了初級與次級之間的隔離[2]。

LT3748具有5 V～100 V的較寬輸入電壓范圍，采用小型MSOP-16封裝，去掉了4個引腳以保證高壓引腳間隔。LT3748的輸出電壓通過芯片外接的兩個電阻的比值以及變壓器的初次級線圈匝數(shù)比共同決定。LT3748芯片內(nèi)部的集成度很高，可利用商用化的變壓器（從而省去了設(shè)計變壓器的繁瑣步驟），與MOSFET一起配合使用，應(yīng)用電路相對簡單。此外，LT3748還具有欠壓閉鎖（UVLO）、軟啟動和對輸出電壓進行溫度補償?shù)墓δ堋?/p>

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

本設(shè)計中的通信二次電源標稱值為-48 V，波動范圍為-36～-72 V，輸出電源為8 V/2 A，輸出功率為16 W。為保證輸出電流具有一定裕度（一般為輸出電流的40%），設(shè)計中將最大輸出電流設(shè)定為3 A，最終的設(shè)計電路如圖1所示。當開關(guān)管Q1導(dǎo)通后，初級線圈的導(dǎo)通電流將持續(xù)上升，直至其達到11引腳（VC）控制電流的極限，從而使Q1斷開。Q1斷開后，其漏極電壓將上升至VOUT·NPS+VIN，而副邊感應(yīng)的電流則通過整流二極管D1向輸出電路供電。當Q1漏極的電位降到VIN以下時，這種情況會被芯片內(nèi)部的邊界模式檢測比較器檢測出，從而使Q1又重新導(dǎo)通，以此不斷循環(huán)往復(fù)。

圖1 電源轉(zhuǎn)換電路圖

2.1 欠壓鎖定電路與過電流保護電路

欠壓鎖定（UVLO）是指當輸入電源電壓低于欠壓鎖定電路的預(yù)設(shè)值時，電源芯片不工作，以保證芯片安全并降低不必要的功耗。LT3748通過連接在VIN和EN/UVLO引腳之間的分壓電阻R1與R2設(shè)定芯片工作的閾值電壓。當芯片EN/UVLO引腳上的電壓達到1.223 V時，LT3748芯片內(nèi)部所有電路都將啟動。

過電流保護電路是指在電源過載或輸出短路時保護電源裝置，防止負載損壞。此芯片通過SENSE引腳端的電阻R5來設(shè)定過電流，SENSE引腳的電壓VS需要在0.1 V以下。

2.2 開關(guān)變壓器設(shè)定

單端反激式開關(guān)穩(wěn)壓電源在設(shè)計開關(guān)變壓器參數(shù)時的計算極為關(guān)鍵，設(shè)計中應(yīng)盡量使開關(guān)管導(dǎo)通期間變壓器所儲存能量等于功率開關(guān)管關(guān)閉期間變壓器所釋放的能量，提高開關(guān)變壓器的利用率，從而提高電路的轉(zhuǎn)化效率。開關(guān)變壓器的設(shè)定主要取決于初級線圈電感量和線圈的飽和電流兩方面。開關(guān)變壓器初級繞組的電感值須大于臨界電感值 （即當功率開關(guān)管截止期結(jié)束時，功率開關(guān)變壓器中存儲的能量正好釋放完畢時開關(guān)變壓器初級繞組所對應(yīng)的電感值）[3]。此外，開關(guān)變壓器還應(yīng)滿足其線圈中的電流不能超過線圈自身飽和電流，因為一旦造成線圈中電流飽和，能量將不能存儲在變壓器的鐵芯中，進而傳輸?shù)酱渭壎耍鴷幌脑阼F芯中。

本設(shè)計中開關(guān)變壓器選取為VP-0047-R，它具有體積小、自身電阻低、低噪聲和緊耦合性等優(yōu)點。VP-0047-R有六個獨立繞組，每個繞組的電感量和飽和電流分別為3.8 μH和2.81 A，并可以根據(jù)需求的不同而連接成初次級線圈比不同的變壓器。設(shè)計中將此變壓器設(shè)置為初、次級線圈比為4∶1。其中初級線圈為四個繞組的串聯(lián)形式，則初級線圈的電感量是 60.8 μH。次級線圈為兩個繞組的并聯(lián)形式，這種連接可增大繞組的飽和電流，避免次級線圈在輸出電流較大時飽和。

2.3 功率開關(guān)管及鉗位電路設(shè)計

開關(guān)管的選取主要由漏源之間的耐壓值以及最大漏極電流決定。由于在開關(guān)管關(guān)斷的瞬間，變壓器產(chǎn)生的漏感將生成尖峰脈沖電壓，并且在初級線圈上也會有感應(yīng)電壓生成，這些都會疊加在直流輸入電壓VIN上。而在開關(guān)管導(dǎo)通時，功率開關(guān)變壓器初級繞組的充電電流將產(chǎn)生尖峰電流，所以功率開關(guān)管的漏極電流應(yīng)大于該尖峰電流。設(shè)計中Q1選擇Si7464DP。

為了減少漏感對電路產(chǎn)生的影響，并吸收已經(jīng)由漏感產(chǎn)生的尖峰電壓，在開關(guān)管的漏極設(shè)計了鉗位保護電路。通常鉗位電路的形式有DZ、RCD以及RC等，考慮到電路的簡單和小型化，本設(shè)計采用RC鉗位電路，即圖 1中的電阻R8和電容 C6，取值為 66 Ω 和 150 pF。 在Q1截止的瞬間，儲存在漏感中的能量通過電容C6后，就被電阻R8消耗掉了[4]。鉗位電路的設(shè)計非常必要，尤其在輸出電流較大的情況下，可通過鉗位電路將漏感吸收，從而保證輸出電壓的穩(wěn)定。

3 測試結(jié)果與分析

由于輸入電壓為-48 V，所以測試中將穩(wěn)壓電源的正端接在PCB電路板的地端，穩(wěn)壓電源的負端接到PCB上的電源輸入端，此時在PCB的電源和地之間就能得到負的電壓。測試前應(yīng)注意以下兩點：首先由于開關(guān)電源在供電初始會產(chǎn)生較大的浪涌電流，所以在測試時對穩(wěn)壓電源限流值的設(shè)定要比實際輸出電流值稍大一些。其次單端隔離反激式開關(guān)電源測試時不能空載。

經(jīng)過多組測試得到了表1和表2所示的結(jié)果。從測試結(jié)果可以看出，此電源電路不僅實現(xiàn)了電源從負到正的極性變換，并且電路最大輸出電流為3.245 A，輸出電壓接近8 V，證明本電路設(shè)計已經(jīng)達到了最初要求輸出8 V/2 A電源的目的。

表1 負載調(diào)整率測試結(jié)果

將電源輸入電壓保持在-48 V，將負載從200 Ω減小到 2.5 Ω時，可得表1的測試結(jié)果。根據(jù)表1中記錄計算可得，當負載在2.5～200 Ω之間變化時，負載調(diào)整率為±2%。其中，此電路的轉(zhuǎn)化效率在輸出電流為2.315 A時達到79%。

表2 電壓調(diào)整率測試結(jié)果

將電源的電壓輸出端接 4 Ω、50 W的固定負載電阻，輸入端接到可調(diào)穩(wěn)壓電源輸出端。調(diào)整輸入穩(wěn)壓電源在36 V～54 V之間變化時，測量輸出端電壓，可得表2所示的測試結(jié)果。由表2中記錄結(jié)果，根據(jù)電壓調(diào)整率的公式，可計算出電路的電壓調(diào)整率為0.7%。當輸入電壓變?yōu)?0 V時，輸出電壓有0.06 V的變化，可看出輸出電壓波動不大。

4 結(jié)論

本文基于單端反激式隔離型DC/DC轉(zhuǎn)換器，采用凌力爾特公司2010年推出的隔離反激式DC/DC 變換器芯片LT3748，并結(jié)合開關(guān)變壓器、功率開關(guān)管等部分電路，設(shè)計了一種應(yīng)用于通信機射頻前端的通信用二次電源的部分電路。該電源轉(zhuǎn)換電路將-48 V的輸入電源轉(zhuǎn)化為8 V/2 A的輸出電源，具有輸出電流大、穩(wěn)壓精度較高、體積小的特點，并且工作穩(wěn)定、性能可靠，對設(shè)計其他單端反激式隔離型開關(guān)電源具有參考價值。

[1]宋清亮.應(yīng)用在通信二次電源中的LLC串聯(lián)諧振變換器的研究[J].通信電源技術(shù)，2009，26（2）：6-9.

[2]Bruce Haug.無需光耦合器的反激式DC/DC控制器[Z].2011.

[3]王水平，賈靜，方海燕，等.開關(guān)穩(wěn)壓電源原理與設(shè)計[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[4]王艷榮，吳蘭君.基于 LT3573隔離型反激式 DC-DC開關(guān)電源的設(shè)計[J].電源世界，2009（5）：42-44.