0 引言
某車載設備需要一臺24V轉75 V 的大功率直流升壓電源，首套電源設計拘泥于傳統的分立式設計方案，集成度差且缺乏實際驗證，導致電源工作不可靠易保護，關鍵技術指標未達到設計要求。在改進設計工作中，我們采用了目前技術成熟的高可靠的DC/DC模塊完成設計。單個DC/DC 模塊的最高輸出電壓一般為+48V，要得到更高的輸出電壓，必須利用模塊的輸入輸出隔離特性，采用模塊串聯的方法實現。由于電源輸入電壓為+24 V，因此本設計采用三個模塊串聯來得到75V電壓。DC/DC模塊輸出阻抗極低，即使是三個模塊串聯其串聯輸出阻抗相對于負載仍然可以忽略不計。
1 設計組成與工作原理
本設計以PAF600F24-28 電源模塊為核心，采用輸入并聯輸出串聯的方式，實現直流24V轉75V的電壓轉換。使用外接電位器可在一定范圍內調節輸出電壓，輸出電壓可以在-60%耀+10%標稱值的范圍內調整。單個模塊的輸出電壓最高可調至28V伊110%=30.8V，最低輸出電壓可調至28V伊60%=16.8V。這樣三個模塊串聯使用時可以得到一個較寬的電壓輸出范圍：50.4V耀92.4V。當三個模塊輸出均調至25V時即得到75V電壓。此時輸出電流為600衣25=24 A。同時本升壓電源還具有啟動控制、電壓監控以及過流、過壓、過熱等一系列保護功能，確保電源工作安全可靠。三模塊串聯工作原理圖如圖1 所示。
圖1 模塊串聯升壓原理圖
圖2為單個電源模塊的應用電路，輸入端電解電容C1 為儲能電容，同時可以吸收模塊輸入端的電壓尖峰。C2、C3為共模濾波電容，采用2kV的高壓瓷片電容。D1為瞬態吸收二極管TVS，對電壓瞬變和沖擊起到防護抑制作用，可防止電源輸入端出現瞬態高壓尖峰將電源模塊損壞，TVS 還具備靜電防護功能，對于確保模塊的工作安全意義重大。另外，配合保險管使用還可預防輸入端出現意外反接而損壞模塊。
圖2 單個電源模塊的應用電路
1.1 方案對比
圖3 為分立元件方案的升壓電源原理框圖。該方案中，各功能單元均須單獨設計，整個設計集成度低。特別是隔離升壓變壓器及H橋功率變換電路，由于不是特異型設計，只能采用常規產品，導致體積太大，并且整個設計未經充分的老化試驗和實際工作的驗證，這樣往往需經過多次反復修改和完善才能滿足設計要求，既費時又費力。而在DC/DC 模塊中，功率變壓器及H 型功率橋均設計成扁平的特殊形式，集成于模塊封裝中，大大節省了空間。并且電源模塊技術早已十分成熟，可靠性極高，設計者只需以模塊為核心進行一定的外圍設計，合理利用模塊的串、并聯技術，根據設計需求實現升壓或功率擴充，即可設計出滿足技術指標要求的、性能優良的工作高可靠的集成電源。與分立式方案相比，設計周期縮短，可靠性及技術指標大大提高。
圖3 分立元件方案的升壓電源原理框圖
1.2 共膜濾波技術
應用在模塊輸入端的共模扼流圈是電路中十分有效的共膜濾波器件，在共模干擾信號作用下，扼流圈上兩線圈產生的磁通方向相同，作用相互加強，每一線圈電感值為單獨存在時的兩倍。這樣對于電源產生的高頻共模噪聲，扼流圈等效阻抗高。因此，共模扼流圈對共模干擾有很強的抑制作用，而對差模電流呈現極低的阻抗，因而對有用的直流電流損耗極小。降低共模干擾的另一有效方法是加入旁路電容，如圖2 所示，C2、C3用于旁路共模電流，減少輸入線之間的噪聲，同時也可吸收輸入端意外的電壓沖擊。C2、C3選用4700pF/2kV高壓瓷片電容。為防止寄生電感引入干擾，電容引腳應盡量短。
2 保護功能設計與電磁兼容措施
圖1 中D1、D2、D3 為快恢復二極管，均為串聯方式中的保護器件，功能是防止反向電壓加到任一電源模塊上，要求D1、D2、D3 反向耐壓大于兩倍的電源額定輸出電壓，電流大于兩倍的電源額定輸出電流，正向導通壓降應盡量小。
圖2 中的D1、D2 為TVS 管（浪涌電壓吸收器），TVS具有極短的響應時間和相當高的浪涌吸收能力，可抑制感性負載切換時產生的瞬變電壓，也可用于保護設備或電路免受靜電以及感應雷所產生的過電壓的沖擊。TVS 以旁路吸收的方式保護了電源系統，同時降低了電磁干擾，提高了電源系統可靠性與壽命。使用中TVS管的擊穿電壓要比被保護電路工作電壓高10豫左右，以防止電路工作電壓接近TVS 擊穿電壓，造成TVS 出現漏電流并影響電路正常工作；還可以避免因環境溫度變化導致TVS 擊穿電壓落入線路正常工作電壓的范圍。 在模塊輸出電壓調整端加濾波電容有助于降低紋波。通過在電源系統調整端和輸出端采用聚脂電容濾波，電源內部采用雙絞線走線方式等多方面濾波措施，最終使得+75V電源系統的輸出紋波控制在400~600mV，滿足了+75V電源紋波電壓臆75 0mV的使用要求。
3 結語
分立元件設計方案中，采用的元器件種類及數量繁多，集成度低，可靠性較差。特別是大功率的開關變壓器、功率全橋、散熱器等功率部件體積較大，裝配及安裝復雜。而模塊化設計的電源體積緊湊、形狀規則、安裝容易。依靠機箱殼體傳導散熱無須設計專門的散熱器，散熱面積大，其工作的可靠性已在實際應用中得到驗證。隨著DC/DC模塊技術水平的提高，各類電源的設計手段越來越先進，在一些要求體積小、設計質量高、研制周期短的電源設計任務中，采用技術成熟的高可靠的DC/DC模塊以串聯模式完成升壓電源設計，不失為一種首選的設計手段。
參考文獻
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