基于LTC3721-1的升壓型推挽變換器設計

摘 要：現代電力電子技術推動了電源技術尤其是開關電源技術的飛速發展，而日益精密的電子設備則對其供電電源提出了更高的要求。現介紹一種基于LTC3721-1的升壓型推挽變換器，其可將77～137.5 V范圍內的直流電源升壓至300 V直流，并具備1 A的電流輸出能力。LTC3721-1為電流控制型PWM控制器，因此克服了推挽變換器常見的偏磁問題，使其工作可靠性大為增加。現對該電路的電路拓撲、工作過程以及相應的參數計算、元件選擇進行了詳細的描述與分析，使用LTspice軟件進行電路仿真，并在實際電路中進行了測試。仿真和實驗測試結果驗證了設計的電路滿足設計指標需要，具備良好的性能和可靠性。

關鍵詞：LTC3721-1；升壓電路；推挽變換器；LTspice仿真

中圖分類號：TM52? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）10-0016-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.10.005

0? ? 引言

直流電源廣泛應用于諸如民用電子產品、工業電子產品、汽車產品、軌道交通以及航空航天等各行各業。為適配各種負載的額定電壓，往往需要使用開關型直流電源對輸入電壓進行調整、穩壓[1]。推挽變換器是一類結構簡單、應用廣泛、可實現輸入/輸出電氣隔離的拓撲結構[2]，適用于各類直流電源產品以及逆變電源的DC/DC前級[3-4]。在實踐中，傳統的基于電壓控制型原理的推挽變換器，由于實際電路參數的不完全對稱，可能出現偏磁問題，導致變壓器出現磁飽和、開關管電流應力分配不均乃至擊穿，造成電源系統損壞[5]。采用電流控制型PWM控制器直接利用電路中的電流信息，發出PWM信號，可以有效規避偏磁問題，提高電源系統的可靠性[6]。

本文基于LTC3721-1型電流控制型PWM控制器，使用推挽變換器拓撲結構，設計了一款可將77～137.5 V范圍內的輸入直流電壓升壓至300 V的升壓型直流電源，并具備1 A的電流輸出能力。本文對該電源的關鍵元件參數進行了計算和設計，使用LTspice軟件進行仿真，并搭建了試驗樣機，驗證了本文設計電路的有效性。

1? ? 推挽變換器的工作原理

推挽變換器主要由輸入濾波器、功率開關、高頻變壓器、整流和濾波電路等部分組成，其電路結構如圖1所示。輸入濾波器通常情況下由大容量電解電容組成，可以減少電源輸入阻抗的影響，在功率開關導通的瞬間提供足量的電流，避免輸入母線電壓跌落；功率開關通常由功率MOSFET組成，用于電路的導通和關斷；高頻變壓器用于電壓的變換、能量的傳輸和原副邊之間的電氣隔離，圖1中的變壓器由兩個相同的初級線圈、一個次級線圈組成，同名端已在圖中標出；整流電路由4只整流二極管組成全橋結構，將變壓器副邊得到的高頻交流轉化為脈動直流；濾波電路是由功率濾波電感和電解電容組成的LC濾波電路，用于濾除高頻交流分量，獲得純凈的直流電源。

推挽變換器工作時，兩只功率開關依次導通，將能量由變壓器原邊輸送至變壓器副邊，經整流濾波電路后獲得純凈穩定的直流，電路中各個關鍵位置的電壓電流波形如圖2所示。

2? ? 電路設計

2.1? ? 電路設計目標

本文設計的推挽變換器電路參數如表1所示。

2.2? ? LTC3721-1控制器芯片

LTC3721-1是由ADI公司設計研發，可適用于推挽變換器的PWM控制器。此控制器具備最高值1 MHz的可編程開關頻率配置，集成斜坡補償、軟啟動和逐周期電流限制保護等功能。另外，LTC3721-1為電流控制型PWM控制器，可以有效解決推挽變換器工作時的偏磁問題。使用LTC3721-1構成的推挽變換器電路結構如圖3所示。

其中，使用電阻RF1和RF2對輸出電壓進行編程，以確保當輸出電壓Vout為額定輸出電壓時，輸入至電壓基準TL431的參考端電壓為2.495 V，可以使用以下公式選擇RF1和RF2的值。

Vout=2.495

1+ （1）

本文中RF1選擇560 kΩ，RF2選擇4.7 kΩ。

在CT引腳與地之間連接一個電容CT用于編程芯片的開關頻率，其計算公式如下：

CT=1/（2×14 800Fsw） （2）

本文中CT選取220 pF，計算得到開關頻率Fsw約為153 kHz。

在兩只功率開關的源極和地之間串入電流檢測電阻Rsen，獲得的電壓接入CS引腳，用于控制器芯片的調制波以及逐周期電流限制。當CS引腳的電壓高于300 mV時，將觸發芯片的電流保護。本文中，檢流電阻Rsen選擇阻值為20 mΩ的電阻，即當主電路中的電流超過10 A時，觸發保護。

2.3? ? 主電路參數設計

1）設計變壓器匝數比Nps。設整流二極管最高壓降Vf=2.6 V，即有：

Nsp≥=3.9 （3）

式中：Vin，min為最低輸入電壓；Nsp為變壓器副邊與原邊匝數比，實際中，取Nsp=5，即Nps=0.2。

2）計算最小、最大占空比dmin、dmax。推挽變換器兩只開關管依次導通，占空比最大不超過0.5，依次代入最小、最大輸入電壓值Vin，min、Vin，max計算可得：

dmin==0.22? ? ? ? ? ? ? （4）

dmax==0.39? ? ? ? ? ?（5）

3）計算開關管與二極管最高耐壓VQ，max、VD，max。開關管最高耐壓為電源電壓最大值的兩倍，即有：

VQ，max=2Vin，max=2×137.5=275 V? ? ? ? ? ? ? ?（6）

由于變壓器次級為單線圈全橋整流結構，整流二極管耐壓即為輸入最高電壓與變壓器變比的乘積：

VD，max=Vin，maxNsp=137.5×5=687.5 V? ? ? ? （7）

4）計算輸出濾波電感L，電感紋波電流由下式確定：

Iripple=

-2Vf-Vout·t1? ? ? ? ? ?（8）

式中：t1為開關管導通時間，有：

t1==? ? ? ? ? ? ?（9）

式中：d為占空比。

代入整理得：

Iripple=1-

（10）

由上式可知，在輸入電壓最高時，占空比最低，此時輸出濾波電感電流紋波最大，要求此時輸出電感足夠大，使得輸出電流不斷續。定義紋波系數χ為電感電流最大值與最小值之差的一半與輸出平均電流Iout的比值，即當紋波系數為1時，電感電流剛好處于斷續與非斷續之間的臨界狀態。指定紋波系數χ=0.35，此時有：

Iripple，max=2χIout=0.7 A? ? ? ? ? ? ?（11）

此時的電感取值為：

L≥1-

=806 μH （12）

實際選取L=820 μH，代入數值校驗，計算得此時電流紋波的最大值：

Iripple，max=1-

=0.69 A? （13）

5）計算勵磁電流Imag。勵磁電流為輸入電壓在初級線圈電感上產生的電流，初級線圈電感量選取為Lp=50 μH，由此可得次級線圈電感：

Ls==1 250 μH? ? ? ? ? ? （14）

勵磁電流波形為關于時間軸中心對稱的波形，與輸入電壓大小無關，最大勵磁電流表達式為：

Imag===4 A? ? ? ? （15）

6）計算副邊電流瞬時值最大值Isec，max。在輸入電壓最大時，副邊電流紋波最大，由此計算副邊電流最大值：

Isec，max，dc max=Iout+Iripple，max=1.345 A? ? ? ? ?（16）

7）計算原邊電流瞬時值最大值Ipri，max。在輸入電壓最大時，原邊電流紋波最大，由此計算原邊電流最大值：

Ipri，max，dc max=+Imag=8.725 A? ? ?（17）

8）計算輸出濾波電容Cout。輸出電壓紋波比設定為0.5%，即Vripple%=0.5%，輸出濾波電容的ESR需要滿足以下條件：

ESR≤=0.56 Ω? ? ? ? ?（18）

輸出濾波電容的容值Cout需要滿足以下條件：

Cout≥=6 μF? ? ? ? ? （19）

實際中Cout選擇10 μF電解電容。

3? ? 電路仿真

3.1? ? LTspice仿真軟件介紹

LTspice是一款免費的電子電路仿真軟件，由ADI公司開發。它是一種功能強大且易于使用的工具，用于設計和驗證各種電子電路，包括模擬電路、數字電路和混合信號電路。LTspice提供了豐富的元件庫，可以模擬各種電子元件和器件的行為，還支持自定義元件和模型的添加。通過LTspice，用戶可以進行電路的分析、優化和驗證，包括直流分析、交流分析、脈沖響應分析等。此外，LTspice還提供了波形顯示、參數掃描、傅里葉分析等功能，方便用戶對電路進行更深入的研究和分析。

3.2? ? 電路仿真結果

使用LTspice軟件搭建如圖4所示的電路仿真模型，在最嚴酷工況下，即輸入電壓最低77 V，輸出滿載1 A的工況下進行仿真，得到的結果如圖5所示。由仿真結果可知，本文設計的推挽變換器可以實現額定輸出目標。

4? ? 實驗驗證

根據上文的電路設計，搭建了一款推挽變換器樣機，并在額定輸入電壓110 V、輸出電流1 A的工況下進行測試。使用示波器捕捉獲得的測試信號波形如圖6所示。測試結果顯示，輸出PWM信號頻率為150 kHz，最終輸出穩定直流電壓294 V，誤差2%，滿足設計要求。

5? ? 結束語

本文設計了一款基于LTC3721-1 PWM控制器的推挽變換器，實現了將77～137.5 V范圍內的直流電壓變換為300 V的直流電壓的DC/DC變換。

本文對該變換器的工作原理和參數設計進行了詳細的表述，并通過LTspice軟件進行了仿真。

最后，通過樣機的實際測試測量，驗證了本文設計電路的有效性。

[參考文獻]

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收稿日期：2024-01-29

作者簡介：王盼瑞（1994—），男，山東青島人，碩士，助教，研究方向：電力電子技術、電氣自動化技術。