摘 要： 針對(duì)射頻收發(fā)機(jī)的供電部分，采用隔離反激式DC/DC變換器LT3748，設(shè)計(jì)了一種將通信二次電源轉(zhuǎn)化成8 V/2 A輸出的開(kāi)關(guān)電源。介紹了電源轉(zhuǎn)換的硬件實(shí)現(xiàn)電路、測(cè)試結(jié)果及相應(yīng)的分析。電路測(cè)試結(jié)果表明，此電源轉(zhuǎn)換電路具有較大輸出電流和較高的穩(wěn)壓精度。
關(guān)鍵詞： 開(kāi)關(guān)電源；反激式；LT3748
0 引言
通信電源中一次電源是指由市電轉(zhuǎn)換成標(biāo)稱(chēng)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(kāi)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(shí)現(xiàn)了電源初級(jí)與次級(jí)兩側(cè)的電氣隔離，使得該類(lèi)開(kāi)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?fù)浣Y(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(jī)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(kāi)關(guān)管Si7464以及隔離型變壓器VP4-0047-R。最后對(duì)該設(shè)計(jì)電路的轉(zhuǎn)換效率、負(fù)載調(diào)整率、電壓調(diào)整率進(jìn)行了測(cè)試。
1 開(kāi)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的新型開(kāi)關(guān)電源芯片——LT3748。LT3748利用變壓器初級(jí)端的反激信號(hào)得到輸出電壓的反饋，免除了增設(shè)光耦合器、次級(jí)基準(zhǔn)電壓和附加第三繞組的需要，并同時(shí)保持了初級(jí)與次級(jí)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(gè)引腳以保證高壓引腳間隔。LT3748的輸出電壓通過(guò)芯片外接的兩個(gè)電阻的比值以及變壓器的初次級(jí)線(xiàn)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(jì)變壓器的繁瑣步驟），與MOSFET一起配合使用，應(yīng)用電路相對(duì)簡(jiǎn)單。此外，LT3748還具有欠壓閉鎖（UVLO）、軟啟動(dòng)和對(duì)輸出電壓進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)墓δ堋?/p>
2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)中的通信二次電源標(biāo)稱(chēng)值為-48 V，波動(dòng)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(jì)中將最大輸出電流設(shè)定為3 A，最終的設(shè)計(jì)電路如圖1所示。當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q1導(dǎo)通后，初級(jí)線(xiàn)圈的導(dǎo)通電流將持續(xù)上升，直至其達(dá)到11引腳（VC）控制電流的極限，從而使Q1斷開(kāi)。Q1斷開(kāi)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(guò)整流二極管D1向輸出電路供電。當(dāng)Q1漏極的電位降到VIN以下時(shí)，這種情況會(huì)被芯片內(nèi)部的邊界模式檢測(cè)比較器檢測(cè)出，從而使Q1又重新導(dǎo)通，以此不斷循環(huán)往復(fù)。
2.1 欠壓鎖定電路與過(guò)電流保護(hù)電路
欠壓鎖定（UVLO）是指當(dāng)輸入電源電壓低于欠壓鎖定電路的預(yù)設(shè)值時(shí)，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(guò)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(dāng)芯片EN/UVLO引腳上的電壓達(dá)到1.223 V時(shí)，LT3748芯片內(nèi)部所有電路都將啟動(dòng)。
過(guò)電流保護(hù)電路是指在電源過(guò)載或輸出短路時(shí)保護(hù)電源裝置，防止負(fù)載損壞。此芯片通過(guò)SENSE引腳端的電阻R5來(lái)設(shè)定過(guò)電流，SENSE引腳的電壓VS需要在0.1 V以下。
2.2 開(kāi)關(guān)變壓器設(shè)定
單端反激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源在設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)變壓器參數(shù)時(shí)的計(jì)算極為關(guān)鍵，設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量使開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間變壓器所儲(chǔ)存能量等于功率開(kāi)關(guān)管關(guān)閉期間變壓器所釋放的能量，提高開(kāi)關(guān)變壓器的利用率，從而提高電路的轉(zhuǎn)化效率。開(kāi)關(guān)變壓器的設(shè)定主要取決于初級(jí)線(xiàn)圈電感量和線(xiàn)圈的飽和電流兩方面。開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)繞組的電感值須大于臨界電感值（即當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管截止期結(jié)束時(shí)，功率開(kāi)關(guān)變壓器中存儲(chǔ)的能量正好釋放完畢時(shí)開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)繞組所對(duì)應(yīng)的電感值）[3]。此外，開(kāi)關(guān)變壓器還應(yīng)滿(mǎn)足其線(xiàn)圈中的電流不能超過(guò)線(xiàn)圈自身飽和電流，因?yàn)橐坏┰斐删€(xiàn)圈中電流飽和，能量將不能存儲(chǔ)在變壓器的鐵芯中，進(jìn)而傳輸?shù)酱渭?jí)端，而會(huì)被消耗在鐵芯中。
本設(shè)計(jì)中開(kāi)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(diǎn)。VP-0047-R有六個(gè)獨(dú)立繞組，每個(gè)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(jí)線(xiàn)圈比不同的變壓器。設(shè)計(jì)中將此變壓器設(shè)置為初、次級(jí)線(xiàn)圈比為4∶1。其中初級(jí)線(xiàn)圈為四個(gè)繞組的串聯(lián)形式，則初級(jí)線(xiàn)圈的電感量是60.8 μH。次級(jí)線(xiàn)圈為兩個(gè)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(jí)線(xiàn)圈在輸出電流較大時(shí)飽和。
2.3 功率開(kāi)關(guān)管及鉗位電路設(shè)計(jì)
開(kāi)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(kāi)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(jí)線(xiàn)圈上也會(huì)有感應(yīng)電壓生成，這些都會(huì)疊加在直流輸入電壓VIN上。而在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，功率開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)繞組的充電電流將產(chǎn)生尖峰電流，所以功率開(kāi)關(guān)管的漏極電流應(yīng)大于該尖峰電流。設(shè)計(jì)中Q1選擇Si7464DP。
為了減少漏感對(duì)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(kāi)關(guān)管的漏極設(shè)計(jì)了鉗位保護(hù)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(jiǎn)單和小型化，本設(shè)計(jì)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(chǔ)存在漏感中的能量通過(guò)電容C6后，就被電阻R8消耗掉了[4]。鉗位電路的設(shè)計(jì)非常必要，尤其在輸出電流較大的情況下，可通過(guò)鉗位電路將漏感吸收，從而保證輸出電壓的穩(wěn)定。
3 測(cè)試結(jié)果與分析
由于輸入電壓為-48 V，所以測(cè)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(fù)端接到PCB上的電源輸入端，此時(shí)在PCB的電源和地之間就能得到負(fù)的電壓。測(cè)試前應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：首先由于開(kāi)關(guān)電源在供電初始會(huì)產(chǎn)生較大的浪涌電流，所以在測(cè)試時(shí)對(duì)穩(wěn)壓電源限流值的設(shè)定要比實(shí)際輸出電流值稍大一些。其次單端隔離反激式開(kāi)關(guān)電源測(cè)試時(shí)不能空載。
經(jīng)過(guò)多組測(cè)試得到了表1和表2所示的結(jié)果。從測(cè)試結(jié)果可以看出，此電源電路不僅實(shí)現(xiàn)了電源從負(fù)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(jì)已經(jīng)達(dá)到了最初要求輸出8 V/2 A電源的目的。
將電源輸入電壓保持在-48 V，將負(fù)載從200 Ω減小到2.5 Ω時(shí)，可得表1的測(cè)試結(jié)果。根據(jù)表1中記錄計(jì)算可得，當(dāng)負(fù)載在2.5~ 200 Ω之間變化時(shí)，負(fù)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(shí)達(dá)到79%。
將電源的電壓輸出端接4 Ω、50 W的固定負(fù)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(shí)，測(cè)量輸出端電壓，可得表2所示的測(cè)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(jì)算出電路的電壓調(diào)整率為0.7%。當(dāng)輸入電壓變?yōu)?0 V時(shí)，輸出電壓有0.06 V的變化，可看出輸出電壓波動(dòng)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(kāi)關(guān)變壓器、功率開(kāi)關(guān)管等部分電路，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于通信機(jī)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(diǎn)，并且工作穩(wěn)定、性能可靠，對(duì)設(shè)計(jì)其他單端反激式隔離型開(kāi)關(guān)電源具有參考價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[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(wú)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源原理與設(shè)計(jì)[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(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)[J].電源世界，2009（5）：42-44.