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1、DC- DC 转换电源模块设计与制造方法 Rev.:A Page 1 of 35 WARNING！ALL SHEETS OF THIS DOCUMENT ARE CONTROLLED DOCUMENTATION AND ARE NOT TO 警告： 本文件未经批准不得外传。 BE RELEASED OUTSIDE OF E&E OR ITS SUB- CONTRACTORS WITHOUT AUTHORIZATION. D C D C 轉換電源模塊設計 與製造方法 （R e v ：A ） 作者：梁庭燊 DC- DC 转换电源模块设计与制造方法 Rev.:A Page 2 of 35 WARNI
2、NG！ALL SHEETS OF THIS DOCUMENT ARE CONTROLLED DOCUMENTATION AND ARE NOT TO 警告： 本文件未经批准不得外传。 BE RELEASED OUTSIDE OF E&E OR ITS SUB- CONTRACTORS WITHOUT AUTHORIZATION. 引 言 當今 D C D C 轉換電源向著高效率、高功率密度、模塊系列化、及通用化發展。作為 一獨立電源模塊功能已越來越廣泛應用到通訊、電腦、儀器儀錶、工業、交通設施及家 用電器等方面。由於有廣闊的市場和又有技術含量，所以利潤空間較大，開展這方面設 計製造是有前景的。
3、 D C D C 轉換電源模块分反激式、正激式和高頻軟開關轉換（零電壓或零電流開關轉 換）三大類。三者各自有優、缺點，選擇採用哪一類，這要根據具體使用而定。反激式 優點是電路相對簡單，便於多組並聯使用，應用廣泛，不足之處是適合於小功率（1 0 0 W 以下）轉換。 本文以五個不同的反激式產品開發為實例，編寫內容是根據客戶提出的技術指標要求 起紿，如何選擇方案、確定電路結構、元件選擇、參數計算確定、變壓器設計，工藝製 造、產品實測試驗及根據使用作環境溫度試驗和溫度補償校正，直至產品完善之全過程 闡述。但在產品說明中，若有類似部份就不重複。 具體設計和計算是採用了電子技術中局部設計參數之近似性，而
4、結果要求獲得精確性 的思路方法，可給讀者對 D C D C 電源模块實用設計和製造有較全面的認識，有助於相關 專業工作。 本文採用計算濾波電容的公式是筆者經嚴格數理推算獲得的結果，這理論計算方法是 適合實際電路的。對設計非對稱雙電源輸出的變壓器，若各繞組之理論匝數值出現非整 數時，則繞制工藝困難，作者採用調整修正，迫近理想值方法，重新確定各繞組匝數為 整數，這既方便繞制又達到設計理論值之要求。兩種計算方法經過實踐證明更符合實際， 這是有別於其他文獻資料的。 由於以產品實例編寫，專業性和實用性較強，難免有些理論環節和推導省略，僅以實 用方式表達。至於大功率正激式轉換電源等實例，而後有機會再編寫，
5、望讀者諒解。 梁庭燊 2 0 0 2 年 1 月 2 7 日 DC- DC 转换电源模块设计与制造方法 Rev.:A Page 3 of 35 WARNING！ALL SHEETS OF THIS DOCUMENT ARE CONTROLLED DOCUMENTATION AND ARE NOT TO 警告： 本文件未经批准不得外传。 BE RELEASED OUTSIDE OF E&E OR ITS SUB- CONTRACTORS WITHOUT AUTHORIZATION. 目 錄 引 言 一D C D C 8 2 2 - 0 0 1 6 6 設計說明及試驗 4 二D C D C 8 2
6、 2 - 0 0 2 6 0 設計說明及試驗 1 4 三D C D C 8 2 2 - 0 0 2 1 5 設計說明及試驗 2 3 四D C D C 8 2 2 - 0 0 2 4 4 設計說明及試驗 2 6 五D C D C 8 2 2 - 0 0 2 4 3 設計說明及試驗 3 1 DC- DC 转换电源模块设计与制造方法 Rev.:A Page 4 of 35 WARNING！ALL SHEETS OF THIS DOCUMENT ARE CONTROLLED DOCUMENTATION AND ARE NOT TO 警告： 本文件未经批准不得外传。 BE RELEASED OUTSID
7、E OF E&E OR ITS SUB- CONTRACTORS WITHOUT AUTHORIZATION. 一D C D C 8 2 2 0 0 1 6 6 設計說明及試驗 1 . 產品技術要求： 1 ) 輸入電壓：9 V D C 3 6 VD C 2 ) 輸入電流：2 4 V i n滿載，5 6 0 m A m a x ； 空載，2 0 m A m a x 3 ) 輸出電壓：1 、%23 . 3 DC V（在 2 4 Vi n1 2 0 0 m A 滿載） 2 、%20 . 5 DC V（在 2 4 V i n1 2 0 0 m A 滿載） 4 ) 線性穩壓誤差：%1（9 V i n 3
8、 6 Vi n滿載） 5 ) 負載穩壓誤差：%1（1 2 0 m A 1 2 0 0 m A ） 6 ) 輸出電流：1 、2 組 0 1 2 0 0 m A 7 ) 輸出紋波：1 0 0 m V p - p （2 4 Vi n滿載） 8 ) 效率：7 5 % m i n ， 2 4 V i n滿載 9 ) 原、副邊之間耐壓：1 5 0 0 V D C/ 0 . 5 m A 1 S 1 0 ) 輸出短路：能自動恢復工作。 1 1 ) 工作環境溫度：- 2 5 6 0 1 2 ) 外形殼體積：長寬高（5 0 . 8 2 ）( 2 5 . 4 - 2 ) ( 1 0 . 0 1 ) m m 3 2
9、. 設計步驟 1 ) D C - D C 變換類型和方式的選擇 實現同一功能電路的方法和結構是多樣的（即不是唯一的） 。在實用設計中應根 據用戶的要求和相應的技術指標選擇最簡單 、 最方便加工的電路結構 。 從 D C - D C 8 2 2 - 0 0 1 6 6 產品的技術指標的第（9 ）條分析，輸入部份與輸出部份必須採取變壓器隔離和 光耦合反饋隔離。要達到 D C - D C 轉換目的，可把輸入的直流電轉變為交流電（或開關 狀態） ，通過隔離變壓器傳送到副邊輸出整流、濾波成為直流電源。為了確保輸出端 電壓穩定，必須從輸出端的電壓訊號採樣，經放大反饋回輸入邊進行控制調節變送功 率。現選擇固
10、定頻率調節開關導通的時間長短來實現穩定電壓。常稱 P W M 即脈衝寬度 調製方法。 上述隔離式 D C - D C 轉換中 P W M 方法也是多種多樣的，但總的可分兩大類。一是正 激式，一是反激式。正激式是指輸入以變壓器（同名端）方式把能量傳送到副邊，整 流濾波輸出直流電源。反激式是當輸入原邊通電工作時，輸出的副邊無電能輸出，這 時原邊的電磁能量儲存在電感磁芯裏。當原邊導通結束後，儲存在電感磁芯裏的電磁 能量釋放到副邊輸出，每一個週期都是這樣進行著。這類變換的優點是： 電路結 構簡單，成本低；在雙組同極性輸出時，負載重的吸取儲存在電感磁芯裏的電磁能 DC- DC 转换电源模块设计与制造方法
11、 Rev.:A Page 5 of 35 WARNING！ALL SHEETS OF THIS DOCUMENT ARE CONTROLLED DOCUMENTATION AND ARE NOT TO 警告： 本文件未经批准不得外传。 BE RELEASED OUTSIDE OF E&E OR ITS SUB- CONTRACTORS WITHOUT AUTHORIZATION. 量就多；負載輕時，吸取的就少，多餘的電磁能量反回到原邊，對負載調節有利。缺 點是：峰值電流大、紋波大（要加大濾波電容） 。變壓器及磁芯設計和工藝要求高。 本設計認為，在低壓小功率、小體積的條件下，採用反激式更為合適。
12、 在反激式中，本設計採用最簡單的單端反激變換方法。當輸入電壓和輸出負載變 化時，以控制一個開關管的導通時間來調節穩定輸出電壓。在單端反激變換中，從原 理上只利用磁芯的 B - H 磁滯回線第 I 象限部分。筆者認為只要技術上處理好，變壓器 繞制合理，漏感少，這種變換效率是高的。 2 ) 電路定性組合 見圖( 1 - 1 ) ，T 1是單端反激變換變壓器，原邊端串接開關管 Q1，由 I C1產生脈衝訊 號驅動開關管 Q1，使原邊線圈上的電流處於通、斷狀態。副邊是在原邊關斷後，吸收 電感磁芯儲存的電磁能，通過二極管 D2、D 3輸出，C1 0、C1 2、C1 3作儲能濾波，把那些不 連續的能量成為
13、連續輸出的電能量。為了控制 3 . 3 V 和5 V 輸出的電壓穩定，對兩組電 壓分別用 R1 7、R 1 8、R1 9、R2 5進行採樣（C r o s s 調節採樣）到 I C3，經放大控制 I C2光電耦 合塊 ，輸出電流電壓的變化轉變為光亮度的變化，再由光電管轉變為電流加到原邊 I C 1 腳。這是一個誤差放大器輸入端。輸入電壓與原設定電壓的差值即被放大，並控制 I C 1腳輸出的脈衝寬度，達到調節輸出穩壓的功能。I C1 腳為誤差放大器輸出端之 一，R7為負反饋電阻調節靜態放大倍數，在閉環反饋控制系統中可視為比例反饋。其 實 D C - D C 穩壓電源的數學模型是屬一個小型閉環反饋
14、控制系統，視為 P I D 網絡拓樸處 理計算。C6為微分反饋，也可抑制幹擾和雜訊作用。C 7、R1 2組成積分反饋，有利配合 調整系統滯後時間常數，使系統穩定。R1 1電阻作開關管電流採樣，並到 I C 1腳，這 是電流限制器輸入（在大功率開關電源中往往用電流互感器取代 R1 1） 。過流時可控制 腳輸出。R1 0、C 8是形成鋸齒波。I C1腳提供 4 VD C穩壓輸出。R6、C4與 I C1腳組成 R C 振盪，並作 I C1的時鐘頻率。Q 3、R1 3補償鋸齒波作用。 （詳述可參考 I C1功能說明） 。 R1 4是預供 I C1腳電壓，可減少 R 1 1又達到限流目的。Q2、R1、R
15、2、D1組成通電起動時向 I C 1腳提供起動電流的電路。起動後 I C1腳輸出 4 V ，由 Q4、R4、R5組成關閉 Q2管（因 為 Q4導通，Q 2關閉） ，由輔助電源繞組經 D1、C1 1、C3整流濾波供電。R2、R2 4、C1 5是釋放 關斷時電感兩端產生的尖峰電壓電流，防止開關管過壓擊穿。C1、C2作退耦，防雜訊 作用。R9驅動阻尼，R2 3使開關管（M O S F E T ）柵源電容接地保護 M O S F E T管，C1 4減少原 邊瞬態波動對輸出的影響。 DC- DC 转换电源模块设计与制造方法 Rev.:A Page 6 of 35 WARNING！ALL SHEETS O
16、F THIS DOCUMENT ARE CONTROLLED DOCUMENTATION AND ARE NOT TO 警告：本文件未经批准不得外传。 BE RELEASED OUTSIDE OF E&E OR ITS SUB- CONTRACTORS WITHOUT AUTHORIZATION. 圖（1 1 ） 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:4- Feb- 2002 Sheet of File:D:MyDocsSCHD01- 2859(1- 1).ddbDrawn By: Q4 MMBT2222AL
