多路精確穩壓輸出的數字DC-DC變換器設計

侯 偉，鄢婉娟，彭 健

(航天東方紅衛星有限公司，北京 100094)

目前航天器上使用的DC-DC 變換器均為傳統模擬電路設計，且很大一部分依賴進口。與模擬技術實現閉環反饋控制的DC-DC 變換器相比，數字電路具有以下優點：1)可實現多路獨立閉環控制、精確穩壓輸出，具有快速響應能力及調節能力；2)可實現硬件拓撲的通用化設計，通過參數設置實現針對不同對象的應用；3)抗干擾能力強，避免了模擬信號的畸變失真；4)控制參數設計精確，一致性好，性能穩定；5)具備高度的柔性、智能化和可操控性，可通過遠程診斷實現故障管理。本文以常用的XX28512 (28 V 輸入，+5 V、±12 V 三路輸出)型DC-DC 為例，設計一款三路(+5 V/3.6 A、+12 V/0.5 A、－12 V/0.5 A)獨立閉環控制、精確穩壓輸出且電壓可通過軟件設置的數字DC-DC 變換器。

1 方案設計

數字化DC-DC 變換器的設計分硬件電路設計和軟件程序設計兩個部分。

依據多路輸出、每路精確穩壓的要求，數字化DC-DC 變換器的設計必須建立三個獨立的閉環進行穩壓。為了提高輸出電壓的調節速度和避免原、副邊通信帶來的軟、硬件設計的復雜性，數字化DC-DC 變換器的總體框架采用主控制器在變壓器副邊、輔助控制器在原邊的設計方案，三路輸出電壓全部在副邊構成閉環，由主控制器直接進行調節，而不用將電壓信息隔離反饋到原邊。DC-DC 變換器的主拓撲原理框圖如圖1 所示。

圖1 主拓撲原理框圖

數字化DC-DC 變換器的主拓撲采用推挽變換器結構，提高了輸入電壓和變壓器的利用率，而且副邊繞組的整流電路無需濾波電感，電路結構簡單。副邊三路共用一路母線，＋5和＋12 V 輸出采用同步Buck 變換器實現穩壓，－12 V 采用同步Buck/Boost 變換器實現穩壓。采用同步整流的設計方式不僅可以減小續流二極管的導通損耗，提高轉換效率，而且實現了負載和母線的能量雙向流動，負載變化時每路后級調節的占空比變化較小，減小了對副邊母線電壓的影響和負載不平衡時各路之間的交叉調節[1]。

數字化DC-DC 變換器的原、副邊各有一個控制器，兩個控制器互相隔離。主控制器在副邊，完成副邊三路的穩壓調節、輸出電壓過壓保護、輸出電流過流保護、各路輸出軟啟動、電壓時序控制、使能、同步和通信功能。輔助控制器在原邊，完成原邊互補推挽開關管的控制、輸入電壓欠壓保護、輸入電流過流保護和原邊軟啟動功能。

2 硬件設計

2.1 主拓撲設計

數字化DC-DC 變換器的主拓撲采用推挽變換器結構，如圖2 所示。輸入電壓的設計范圍是23～33 V，經一級LC 濾波后輸入到主變壓器。原邊控制器在軟啟動之后，使兩個開關管分別以0.45 的固定占空比互補導通(死區時間為100 ns)，將能量傳遞到副邊繞組中，并經過全波整流、濾波后得到比較穩定的副邊母線電壓。為了避免與副邊三路Buck 的開關頻率(312 kHz)之間產生拍頻干擾，原邊的開關頻率稍高于副邊的開關頻率，定為320 kHz。

圖2 主拓撲原理圖

為了減小開關動作時的導通損耗和關斷損耗，主開關管和副邊母線的整流二極管都加有相應的吸收電路，防止開關溫升過高損耗器件。原、副邊的“地”之間接有一高壓吸收電容，減小地之間的高頻干擾。根據工作頻率以及輸出功率，主變壓器的磁芯選用TDK 公司PC40 材質的磁罐，尺寸選擇P18/11，原、副邊每個繞組的匝數分別為8 匝和6 匝。

2.2 同步Buck(Buck/Boost)變換器設計

副邊+5 和＋12 V 輸出采用同步Buck 的變換器結構，而－12 V 由于輸入、輸出電壓極性相反，采用同步Buck/Boost變換器結構，每路獨立穩壓調節。＋5、＋12 和－12 V 的電路原理分別如圖3、圖4 和圖5 所示。每路輸出都采用電壓閉環穩壓調節，每路輸出電流采用電阻取樣，因為三路輸出共地，所以取樣電阻放在輸出高端，防止地線中產生干擾，避免各路之間相互影響。正電壓輸出＋5 和＋12 V 的有遙測端子，遙測電壓為＋4 V，遙測分壓電阻的值要盡量大，以減小對輸出電壓和效率的影響，但是必須滿足遙測阻抗的要求。

圖3 +5 V輸出同步Buck原理圖

圖4 +12 V輸出同步Buck原理圖

圖5 -12 V輸出同步Buck/Boost原理圖

同步Buck/Boost 變換器就是將傳統Buck/Boost 變換器中的續流二極管換成MOSFET，因此，與其他兩路不同的是，－12 V 的兩個MOSFET 都需要高邊驅動[2]。由于進行電壓取樣信號放大的運放為正電壓單電源供電，－12 V 的電壓檢測與其他兩路不同，不是分壓后進行取樣，而是采用倍數為1/12的反相放大器實現負電壓取樣。

3 軟件設計

原邊控制器和副邊控制器的總體功能設計框圖如圖6 和圖7 所示[3]。

圖6 原邊控制器功能設計框圖

圖7 副邊控制器功能設計框圖

數字DC-DC 變換器工作流程如圖8 所示。在發生過壓、過流等異常情況時，控制器首先關閉控制信號，并且在檢測異常消失延時一段時間后重新軟啟動，且恢復時間可程序設定。數字化控制器的通信協議中采用16 位的CRC 校驗，保證上位機的數據可靠寫入數字化電源模塊中。考慮到特定的應用環境，設計中采用了三模塊冗余(TMR)技術，每個參數在E2PROM 存儲器中有三個備份，以抵抗單粒子翻轉對E2PROM 造成的影響[4-5]。

圖8 數字DC-DC變換器工作流程

4 測試結果

數字DC-DC 變換器實現了三路獨立精確穩壓且輸出電壓在額定值±20%范圍內可設置，同時上電時序、輸出過壓、過流保護值、PID 參數等可設置。頻率同步可通過外接時鐘實現。圖9 給出了參數配置軟件的界面，可以對+5、+12、-12 V 三路的輸出電壓基準、過壓保護值、過流保護值、上電延遲時間、PID 參數等進行獨立設置。

圖9 數字DC-DC變換器參數配置軟件

圖10 和圖11 給出了上電延遲時間設置后的啟動時序，圖10 中+5、+12、－12 V 啟動時序分別為0、5、10 ms，圖11 中+5、+12、－12 V 啟動時序分別為0、5、15 ms，三路上電延遲時間在0～100 ms 范圍內可設置，驗證了數字DC-DC 變換器上電時序設置功能。外接時鐘270 kHz 時，數字DC-DC 變換器的開關頻率如圖12 所示，外接時鐘320 kHz 時，數字DC-DC變換器的開關頻率如圖13 所示，驗證了外部時鐘頻率同步功能。

圖12 初始的外部時鐘與PWM波形(藍線：外部時鐘信號；紅線：控制器的PWM信號，同步頻率270 kHz)

圖13 調整參數后的外部時鐘與PWM波形(藍線：外部時鐘信號；紅線：控制器的PWM信號，同步頻率320 kHz)

5 結論

本文完成了一款三路輸出，各路獨立穩壓、輸出精確可調的數字化DC-DC 變換器的設計與驗證，取得了以下主要成果：通過對多路穩壓輸出拓撲結構比較與分析，設計了以推挽變換器為主體、副邊三路后級閉環穩壓控制的拓撲結構，在FPGA 平臺上采用狀態機結構完成控制算法的運算時序與控制邏輯，實現高精度DPWM 模塊，完成了多路信號高速采樣，實現了數字化DC-DC 控制器的核心功能；通過狀態機控制總線的時序邏輯，實現I2C 總線和UART 接口通信的設計，提供了數字化電源參數的存儲方式，并且可遠程修改電源的運行狀態，數據存儲中，采用三個備份的方式對每個數據進行讀寫操作，保證參數的準確性和電源的安全性，實現了數字化控制器的智能化與容錯機制設計。