基于線性穩壓電路的多路輸出DC/DC變換器的設計

文/賀啟峰

1 概述

隨著社會工業化進程加快，電子產品功能越來越強大，產品的集成化、小型化已成為主流趨勢。在軍用或民用電子系統中，子模塊的數字單片系統的電源電壓通常是由+3.3V、+5V、±12V、±15V等多路組成。故以三路為代表的多路輸出DC/DC變換器在該類市場中占有一席之地。

在整機系統中，設計者為減少整機體積，往往希望所用的DC/DC變換器能夠在最小的外殼內實現最多的功能。多路輸出電源設計中，外殼尺寸通常是電源設計師的“緊箍”，故根據實際情況選擇合適的電路方案尤為重要。

2 多路輸出DC/DC變換器電路設計方案對比

不同的電子系統對多路輸出DC/DC變換器的輸出電壓的組合搭配不同，每一路輸出的帶載能力的要求不同，所用的外殼尺寸不同，故所選用的電路設計方案亦不同。以三路輸出電源為例，目前大部分三路輸出電源設計方案都在以下四種類型中，如圖1所示。

方案一（圖1）：通用性極強，由于它是由兩個電源回路組成，主路與輔路的PWM、變壓器、反饋電路都是相互獨立的，使用同步方式以減少主輔路之間的相互干擾和降低輸出紋波峰值。此方案是多路輸出DC/DC變換器主流解決方案，而且可以實現高精度輸出，基本上能滿足各種條件下電性能指標要求。但此方案使用的元器件數量很多，占用空間極大，不利于產品小型化，很難在小尺寸外殼內實現。

方案二（圖2）：結構簡單，實現方便，占用外殼空間很小。由于輔路沒有穩壓電路，其輸出電壓受主電路占空比控制，在不同負載條件下，輔路輸出電壓調整率較差，可用于輔路輸出電壓精度要求不高的場合。

圖1：雙調制器的三路輸出電源

圖2：主路帶輔路的三路輸出電源

圖3：輔路用線性穩壓器的三路輸出電源

方案三（圖3）：在方案二的基礎上，輔路用到了線性穩壓器調整輸出精度，彌補了方案二中的輔路不受控的缺陷，有利產品小型化。但常規線性穩壓器的輸入電流通常不大，有一定限制且功率損耗大，會拉低電源整體效率。

方案四（圖4）：在方案三的基礎上，輔路用磁放大器電路代替線性穩壓器，同樣可以實現輸出電壓精確控制，而且磁放大器中的能量最終大部分都返回到電路中，提高了開關電源的總體效率。該方案使用的元器件不多，有利于產品小型化。不過，該方案適用于雙路輸出為主路，單路輸出為輔路的情況，且輔路最大帶載比重不可超過主路。而整機系統中，大部分多路電源的使用都是單路輸出為主路，雙路輸出為輔路。

以上四種方案各有優劣，為了在滿足產品小型化的條件下，實現電源高效率，高精度輸出，這里給出了一種新的三路輸出DC/DC變換器解決方案：輔路采用線性穩壓電路的三路輸出電源設計方案。

3 基于線性穩壓電路的多路輸出DC/DC變換器設計思想

這里以三路輸出電源為例。線性穩壓電路應用在三路電源中時，電源采用主輔路設計方式。令主路為單路輸出，輔路為雙路輸出。如圖5所示，主路依然采用常規隔離反饋結構，輔路采用線性穩壓電路來自我調節。如此即滿足了輔路輸出受控的要求，又有利于產品小型化。而且線性穩壓電路的輸入電流、輸出電壓、效率等指標均可通過不同器件選擇來控制。該方案應用靈活，可以很方便的拓展至三路以上輸出電源，或者主路為雙路輸出，輔路為單路的三路輸出電源中。

4 線性穩壓電路在多路輸出DC/DC變換器中的具體應用

采用圖5的方案，設計實際電路，并分析其工作原理。圖6為線性穩壓電路原理圖，這里將線性穩壓電路用在三路電源中的輔路雙路輸出部分。

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圖6中，N1A，N1B為比較放大器；R1、R2、R3、R4為取樣電阻；V1、V3為調整器，采用功率三極管。

正路輸出電壓通過取樣電阻R1、R2分壓，取樣電壓加在比較放大器N1A的反向相輸入端，與加在正向輸入端的基準電壓Vref相比較，兩者差值通過N1A放大后控制串聯調整管V1的壓降，從而穩定輸出電壓。由于V1為NPN功率三極管，為增大驅動電流，在比較放大器與調整管之間增加三極管（V2）驅動電路。

當正路輸出過低時，基準電壓與取樣電壓差值增大，N1A的輸出驅動電流增加，串聯調整管V1壓降減小，從而使正路輸出升高。相反，若正路輸出過高，基準電壓與取樣電壓差值減少，N1A的輸出驅動電流減少，串聯調整管V1壓降升高，從而使正路輸出降低。

負路輸出通過取樣電阻R3、R4與正路相連，通常輔路雙路的輸出電壓絕對值相同，故取樣電阻R3=R4；而比較放大器N1B同相端的基準電壓接到輸出地（0V）。

當負路輸出絕對值過低時，基準電壓與取樣電壓差值增大，N1B的輸出驅動電流增加，串聯調整管V3壓降減小，從而使負路輸出絕對值升高。相反，若負路輸出絕對值過高，基準電壓與取樣電壓差值減少，N1B的輸出驅動電流減少，串聯調整管V3壓降升高，從而使負路輸出絕對值降低。

N1A輸出正電平驅動NPN三極管控制正路輸出，而N1B輸出負電平驅動PNP三極管控制負路輸出。因此，N1的供電正端接正電平Vcc，供電負端通過R9連接到輔路整流濾波輸出負端。

表1：主輔路帶載極限情況

表2：測試結果與SMTR28512T主要指標對比

圖4：輔路用磁放大器的三路輸出電源

圖5：輔路用線性穩壓電路的三路輸出電源結構框圖

圖6：線性穩壓電路原理圖

5 試驗結果

將圖6電路具體應用到實際產品中，以T512三路輸出DC/DC變換器為例，該產品的外殼尺寸為49×34×10mm3，輸出為+5V/4A、±12V/0.416A，以+5V輸出為主路，±12V輸出為輔路。采用線性穩壓電路方案能夠在該外殼內完成版圖設計，通過電性能測試對方案可行性進行驗證。

5.1 主輔路帶載極限情況

從表1可以看到，主路、輔路分別在5%-100%載變化時，電路均穩定輸出，電流調整率均小于1%。因此，對于主輔路不同帶載條件下，采用該方案輸出穩定性高。

5.2 輔路帶載極限情況

當輔路一路負載以-10%負載為步進條件，從90%負載步進到10%，另一路相反，以10%負載為步進條件，從10%負載步進到90%，輔路的交叉調整率如圖7所示。

可以看到，輔路帶載極限情況下，輸出電壓的交叉調整率均小于0.5%。因此，對于輔路不平衡載條件下，采用該方案輸出穩定性高。

5.3 輸出波形

圖7：輔路交叉調整率

圖8：三路輸出電壓波形

圖8為滿載時，輸出電壓波形，其中藍線為+12V路，紅線為-12V路，黃線為+5V路。

如圖8所示，采用該方案電路啟動輸出單調上升，輸出穩定。

5.4 參數對比

電路實測結果的主要參數指標如表2所示，并與interpoint公司同類產品SMTR28512T進行對比。

通過對比，該產品測試結果基本上滿足SMTR28512T電性能指標要求，而且一些指標更優。因此，該設計方案是可行的，合理的。

6 結束語

本文首先對四種常用三路輸出電源設計方案進行對比分析，給出了一種新的三路輸出DC/DC變換器解決方案：輔路采用線性穩壓電路的三路輸出電源設計方案。然后，分析了該方案的設計思想，同時結合實際電路描述了線性穩壓電路的工作過程。最后，通過具體產品對設計方案進行驗證，并且給出測試數據及相關波形。測試結果證明線性穩壓電路應用于多路輸出電源是可行的，合理的，并且具有一定的優越性。