高 峰，劉建生

（天水華天749電子有限公司，甘肅 天水 741000）

1 引言

目前隨著開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的日益成熟，DC/DC電源模塊被廣泛應(yīng)用于工業(yè)及控制、通訊、國(guó)防等各個(gè)領(lǐng)域；而對(duì)于不同領(lǐng)域的DC/DC電源模塊用戶而言，他們對(duì)于DC/DC電源模塊質(zhì)量可靠性的要求也在不斷提高。因此，生產(chǎn)廠家在DC/DC電源模塊生產(chǎn)過(guò)程中需要根據(jù)用戶的要求對(duì)DC/DC電源模塊進(jìn)行一系列的質(zhì)量可靠性試驗(yàn)，其中功率老煉試驗(yàn)就是用來(lái)剔除早期失效產(chǎn)品的可靠性試驗(yàn)之一。

2 基本原理

在DC/DC電源模塊功率老煉試驗(yàn)的過(guò)程中，通常需要在特定的環(huán)境和輸入電壓條件下，對(duì)DC/DC電源模塊在規(guī)定時(shí)間內(nèi)施加額定輸出功率的負(fù)載進(jìn)行質(zhì)量可靠性的試驗(yàn)。如圖1所示為典型的功率老煉試驗(yàn)線路。

圖1 典型的功率老化壽命試驗(yàn)線路

在圖1中，VS為直流電源、Vi為輸入電壓、Ii為輸入電流、Vo為輸出電壓、Io為輸出電流、RL為功率負(fù)載（純電阻負(fù)載或電子負(fù)載）、DC/DC電源模塊的輸入功率 Pi＝Vi×Ii、輸出功率 Po＝Vo×Io。

在DC/DC電源模塊實(shí)際的功率老煉試驗(yàn)的過(guò)程中，由于功率負(fù)載RL無(wú)論是純電阻負(fù)載還是電子負(fù)載，它都是要將DC/DC電源模塊輸出的功率Po，通過(guò)功率負(fù)載RL轉(zhuǎn)化為熱量的方式即W＝Po×t＝I2o×RL×t來(lái)完成對(duì) DC/DC 電源模塊功率老煉試驗(yàn)的過(guò)程，而這一過(guò)程中由功率負(fù)載RL所產(chǎn)生的熱量往往是通過(guò)空氣散熱的方式排放到空氣中。因此在DC/DC電源模塊功率老煉試驗(yàn)的過(guò)程中，如果這部分熱量不加以回收利用就會(huì)造成能量的白白浪費(fèi)，那么如何來(lái)減小這部分能量的浪費(fèi)呢？下面簡(jiǎn)要說(shuō)明如何將DC/DC電源模塊輸出的功率Po進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)化并加以回收利用的基本原理。如圖2所示為能量轉(zhuǎn)換電路原理。

圖2 能量轉(zhuǎn)換電路原理

從圖2可以看出，這時(shí)DC/DC電源模塊輸出的功率Po不再通過(guò)功率負(fù)載RL轉(zhuǎn)化為熱量，而是采用轉(zhuǎn)換電路將DC/DC電源模塊輸出的功率Po轉(zhuǎn)化到DC/DC電源模塊的輸入端。

現(xiàn)在以輸出功率Po＝20W、工作效率η＝80%的DC/DC電源模塊舉例說(shuō)明，如果該電源模塊采用圖2所示的功率老煉試驗(yàn)線路，假設(shè)DC/DC電源模塊的輸出功率Po能夠通過(guò)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行100%的能量轉(zhuǎn)化并輸出到DC/DC電源模塊的輸入端，那么就可以得出直流電源Vs實(shí)際輸出功率下降為Pi－Po＝Po／η－Po＝25W－20W＝5W。從上式可以看出，由于此時(shí)DC/DC電源模塊輸出的功率Po通過(guò)轉(zhuǎn)換電路100%地輸出到DC/DC電源模塊輸入端，因此直流電源Vs所提供的功率僅為DC/DC電源模塊內(nèi)部損耗功率即Pi－Po。因此通過(guò)對(duì)圖2所示轉(zhuǎn)換電路原理的分析，可以通過(guò)能量轉(zhuǎn)換的方式實(shí)現(xiàn)DC/DC電源模塊在功率老煉試驗(yàn)過(guò)程中的能量回收及循環(huán)利用，從而達(dá)到了產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中的節(jié)能降耗和提高能效的目的。

3 電路結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述能量轉(zhuǎn)換電路的原理，能量轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)應(yīng)具有對(duì)DC/DC電源模塊輸出功率進(jìn)行控制和能量轉(zhuǎn)化的基本性能。而對(duì)于大多數(shù)DC/DC電源模塊而言，由于它們的輸出電壓Vo基本都是保持恒定的，因此可以將能量轉(zhuǎn)換電路等效成為一種電流受控的恒功率源控制電路。下面以小功率的DC/DC電源模塊說(shuō)明能量轉(zhuǎn)換電路的基本結(jié)構(gòu)形式。

（1）對(duì)于小功率的非隔離型DC/DC電源模塊，其能量轉(zhuǎn)換電路可以根據(jù)DC/DC電源模塊輸入、輸出電壓條件的不同采用Buck型或Boost型電源變換器作為轉(zhuǎn)換電路的主要結(jié)構(gòu)形式，如圖3、4所示。

圖3 Buck型轉(zhuǎn)換電路

圖4 Boost型轉(zhuǎn)換電路

（2）對(duì)于小功率的隔離型DC/DC電源模塊，其能量轉(zhuǎn)換電路可以采用多種形式的線路結(jié)構(gòu)，下面以正激式和反激式電源變換器作為轉(zhuǎn)換電路的主要結(jié)構(gòu)形式，如圖5、6所示。

圖5 正激式轉(zhuǎn)換電路

圖6 反激式轉(zhuǎn)換電路

以上舉例的4種轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)形式，雖然在線路結(jié)構(gòu)上有所差別，但是其工作原理基本一致，都是通過(guò)電阻元件Rs及控制電路對(duì)DC/DC電源模塊的輸出電流Io進(jìn)行采樣、比較來(lái)控制開(kāi)關(guān)元件T1的脈沖寬度，從而達(dá)到穩(wěn)定DC/DC電源模塊輸出電流Io大小的目的；同時(shí)通過(guò)轉(zhuǎn)換電路中的開(kāi)關(guān)元件T1、儲(chǔ)能元件L、C將DC/DC電源模塊輸出的功率Po進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化并穩(wěn)定地輸出到DC/DC電源模塊的輸入端。

4 應(yīng)用舉例

下面以輸出功率Po＝100W、輸入電壓Vi＝24V、輸出電壓Vo＝15V的隔離型DC/DC電源模塊為例，簡(jiǎn)要說(shuō)明能量轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)思路及主要環(huán)節(jié)。

4.1 設(shè)計(jì)思路

對(duì)于輸出功率為100W的隔離型DC/DC電源模塊而言，其能量轉(zhuǎn)換電路在設(shè)計(jì)時(shí)主要從以下兩個(gè)方面進(jìn)行考慮。

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)DC/DC電源模塊輸出Po功率的大小、輸入電壓Vi/輸出電壓Vo的比值以及是否需要電氣隔離等綜合因素來(lái)確定選擇合適的線路結(jié)構(gòu)。在本例中，由于考慮到DC/DC電源模塊輸出功率Po較大且有電氣隔離的要求，因此在轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)選用推挽式變換器作為轉(zhuǎn)換電路的主要結(jié)構(gòu)形式，具體的轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)如圖7所示。

（2）元器件參數(shù)的選擇

在元器件參數(shù)選擇方面，需要選擇合適的控制電路芯片和符合電路使用要求的元器件參數(shù)。在本例中，首先根據(jù)確定的轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)選用具有雙端互補(bǔ)輸出結(jié)構(gòu)的PWM型控制電路芯片SG3525；其次需要根據(jù)轉(zhuǎn)電路對(duì)開(kāi)關(guān)管、整流管、高頻變壓器及儲(chǔ)能電感等元件的電壓、電流、頻率等參數(shù)的要求進(jìn)行合理的參數(shù)選擇和冗余設(shè)計(jì)，尤其對(duì)于高頻變壓器、儲(chǔ)能電感等元件的磁性參數(shù)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行必要的試驗(yàn)驗(yàn)證。

4.2 主要環(huán)節(jié)

（1）電流控制

電流控制部分由電流取樣電阻R8、脈寬調(diào)制電路 SG3525內(nèi)部電壓比較器（V＋、V－、COMP）及RW1、R7、C4等元件構(gòu)成它是通過(guò)電阻R8、內(nèi)部電壓比較器對(duì)DC/DC電源模塊輸出電流Io進(jìn)行電壓采樣及信號(hào)放大，并與脈寬調(diào)制電路內(nèi)部三角波比較器及驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成脈寬型電流控制回路，用以調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)脈沖寬度來(lái)控制DC/DC電源模塊輸出電流Io的大小。

（2）能量轉(zhuǎn)化

圖7 100W轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)示意圖

能量轉(zhuǎn)化部分由開(kāi)關(guān)管T1、T2，高頻變壓器Tr等元件構(gòu)成；它是利用開(kāi)關(guān)管T1、T2對(duì)流經(jīng)高頻變壓器Tr初級(jí)的電壓、電流I進(jìn)行高頻開(kāi)關(guān)變換，使通過(guò)高頻變壓器Tr初級(jí)的功率能夠高效地耦合到高頻變壓器Tr的次級(jí)回路。

（3）功率輸出

功率輸出部分由整流二極管D1、D2，濾波電感L2及電容C5、功率三極管T2等元件構(gòu)成；它是通過(guò)整流二極管D1、D2對(duì)高頻變壓器Tr次級(jí)輸出的交流方波進(jìn)行整流、濾波并通過(guò)功率三極管T2向DC/DC電源模塊輸入端進(jìn)行能量的傳輸。

在上述轉(zhuǎn)換電路的實(shí)際工作過(guò)程中，DC/DC電源模塊啟動(dòng)時(shí)所需輸入功率Pi由直流電源VS全部提供，而在DC/DC電源模塊啟動(dòng)過(guò)程完成后所需輸入功率Pi則由轉(zhuǎn)換電路和直流電源VS共同提供。另外需要說(shuō)明的是，由于任何形式的能量轉(zhuǎn)換電路在實(shí)際使用時(shí)并不能將所有能量進(jìn)行100%的轉(zhuǎn)化輸出，因此轉(zhuǎn)換電路工作時(shí)所提供的實(shí)際功率要比理想狀態(tài)下小一些。

5 結(jié)束語(yǔ)

以上能量轉(zhuǎn)換電路在DC/DC電源模塊功率老煉試驗(yàn)的過(guò)程中不僅可以有效減少能量的浪費(fèi)，而且能夠提高能效的循環(huán)利用水平，這對(duì)于企業(yè)內(nèi)部促進(jìn)節(jié)能降耗工作具有現(xiàn)實(shí)意義；同時(shí)，由于上述轉(zhuǎn)換電路本身會(huì)在能量轉(zhuǎn)化部分產(chǎn)生高頻干擾噪聲，因此對(duì)于DC/DC電源模塊能量轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮電磁兼容性方面的設(shè)計(jì)優(yōu)化，用以滿足不同類型的DC/DC電源模塊在功率老煉試驗(yàn)過(guò)程中的電磁抗干擾要求。另外，對(duì)于其它一些輸出功率較小或?qū)β守?fù)載有特殊要求的DC／DC電源模塊則不適合應(yīng)用以上能量轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行功率老煉的試驗(yàn)過(guò)程。

［1］張占松，蔡宣三.開(kāi)關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)［M］.北京：電子工業(yè)出版社.