專利名稱：一種基于多相pwm控制器的大功率電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大功率電源，適用于導(dǎo)航接收機發(fā)射信號時對外部功放的供電。
背景技術(shù)：
新一代導(dǎo)航接收機在實際應(yīng)用中，其外部功放需要被提供高電壓和大電流的電源?，F(xiàn)有接收機均采用直接封裝的電源模塊，一般采用配套的前端濾波器和輸出濾波電路，具有體積大，成本高，轉(zhuǎn)換效率低的特點，而且封裝好的模塊對用戶測試和調(diào)節(jié)不利， 使用起來散熱也比較難。鑒于接收機系統(tǒng)尺寸及整體特性限制，直接采用現(xiàn)有的大功率電源模塊無法滿足要求，而且安裝在產(chǎn)品中熱耗也是問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種利用電源控制器搭建的大功率電源，實現(xiàn)了電源產(chǎn)品的小體積，高功率密度，電源轉(zhuǎn)換高效率和電源輸出特性可調(diào)。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種基于多相PWM控制器的大功率電源，包括多相PWM 控制器、輸入電容Cin、軟啟動電容C、輸出電容Cout、電阻Rl R7、功率管Ml和功率管M2、 電感Ll和電感L2、二極管Dl和二極管D2 ；其中，輸入電容Cin接在PWM控制器的VCC端和地之間對輸入電壓進行濾波；電感Ll的一端接外部輸入電壓，電感Ll的另一端接二極管 Dl的陽極端，二極管Dl的陰極端作為電源的輸出端Vout，電感L2的一端接外部輸入電壓， 電感L2的另一端接二極管D2的陽極端，二極管D2的陰極端接電源的輸出端Vout ；電阻Rl 和電阻R2構(gòu)成分壓電路與輸入電容Cin并聯(lián)，電阻Rl和電阻R2的公共端接PWM控制器的使能端RUN ；電容C接在PWM控制器的軟啟動端SS和地之間；電阻R3接在PWM控制器的開關(guān)頻率調(diào)節(jié)端Rset和地之間；功率管Ml的柵極端接PWM控制器的第一門控端GATEl，功率管Ml的漏極端同時接PWM控制器的第一取樣端SENSEl和電阻R4的一端，電阻R4的另一端接地，功率管Ml的源極端接二極管Dl的陽極端；功率管M2的柵極端接PWM控制器的第二門控端GATE2，功率管M2的漏極端同時接PWM控制器的第二取樣端SENSE2和電阻R5的一端，電阻R5的另一端接地，功率管M2的源極端接二極管D2的陽極端；電阻R6和電阻R7 構(gòu)成分壓電路與輸出電容Cout并聯(lián)，電阻R6和電阻R7的公共端接PWM控制器的電壓反饋端FB控制輸出電壓；輸出電容Cout接在電源的輸出端Vout和地之間。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于(1)本發(fā)明電源基于多相PWM控制器進行設(shè)計，便于實現(xiàn)大功率的低壓直流電源， 因為增加相數(shù)能大大降低輸出電容紋波電流的峰-峰值，從而降低損耗，提高電源的工作效率；(2)本發(fā)明電源采用的器件均為常見的阻容感及MOSFET器件，與相同功率的電源模塊相比，其采用的阻容感器件體積小，減少了對外圍輸出電容和輸出電感的要求，增大了功率密度，而且相對于封裝好的電源模塊更加便于散熱，轉(zhuǎn)換效率高；(3)本發(fā)明電源包括電壓反饋環(huán)路和電流反饋環(huán)路，由于引入了電流反饋，對輸出電壓有前饋調(diào)節(jié)作用，提高了電源的動態(tài)響應(yīng)；而且電感電流直接跟隨誤差電壓的變化，輸出電壓就可以很容易的得到控制。另外，電流內(nèi)環(huán)還使開關(guān)電源變換器易于實現(xiàn)并聯(lián)運行， 從而利于實現(xiàn)變換器的模塊設(shè)計，多相的增加有效降低輸出電流的紋波峰值；(4)本發(fā)明電源直接使用PWM控制器即可靈活調(diào)節(jié)電源，具備良好的啟動性能，電源輸出紋波低，通過選擇合適的器件可以搭建出符合各種不同應(yīng)用環(huán)境的電源，同時實現(xiàn)電源綜合性能最優(yōu)。


圖1為本發(fā)明的原理框圖；圖2為控制器基本原理框圖；圖3為理想升壓控制的原理圖；圖4為理想MOS管開啟時等效電路圖；圖5為理想MOS管關(guān)閉時等效電路圖。
具體實施例方式本發(fā)明采用凌特LTxxxx控制芯片搭建大功率電源。該電源以兩相同步PWM控制器為中心，外部搭建儲能元器件電感、電容以及功率M0SFET，實現(xiàn)開關(guān)頻率用戶可調(diào)，最高能被編程到500KHz，是一種具備軟啟動功能，具有過流保護，欠壓鎖止功能，可實現(xiàn)遠程控制，能實現(xiàn)高達98%轉(zhuǎn)換效率的外形扁平、200W大功率升壓電源。如圖1所示為本發(fā)明電源的原理圖，該電源主要由PWM控制器、儲能器件(電感L 和電容C)以及功率MOSFET組成。當(dāng)PWM控制器在有外部輸入時，一旦RUN端保護電路被激發(fā)釋放，正常的軟啟動時序開始動作，在PWM控制器內(nèi)部通過一個鉗位晶體管，軟啟動電容連接到誤差放大器的輸出以限制過沖，同時在軟啟動期間，誤差放大器的輸出能從零開始上升。一旦電容兩端電壓達到設(shè)定值，這種鉗位不再起作用。誤差放大器的電平鉗位可限制最大占空比，因而能夠限制電感電流的增力卩、輸出電壓的上升率及系統(tǒng)的啟動過程。圖2所示為PWM控制器的控制原理圖，該控制器包含內(nèi)部誤差比較器gm和PWM比較器以及邏輯控制電路和雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器來控制PWM開關(guān)頻率，兩個高速門驅(qū)動器來驅(qū)動大功率N溝道MOSraT，其調(diào)節(jié)功能由電流反饋環(huán)路和電壓反饋環(huán)路兩部分組成。當(dāng)輸出電壓經(jīng)采樣后得到反饋電壓Uf到誤差放大器的反向端，基準(zhǔn)電壓Ukef加到誤差放大器同向端，構(gòu)成常規(guī)的電壓反饋，即電壓外環(huán)；MOS管的電流由knse電阻上檢測并且轉(zhuǎn)換為電壓信號化和誤差放大器的輸出化分別加到P麗比較器的同向端和反向端，構(gòu)成電流內(nèi)環(huán)。 PWM輸出加到觸發(fā)器的輸入端R，在內(nèi)部振蕩器的振蕩頻率下不斷輸出高低電平，從而控制外部MOS管的通斷。如圖3 圖5所示，當(dāng)MOS管開啟時，理想MOS管等效為電阻，電感在充電，電感上電流在增加，二極管D反偏截止，后端負載由輸出電容儲存的電荷提供電能。當(dāng)MOS管關(guān)閉， 理想MOS管等效為電容，電感在放電，電感上電流在減少，電感中儲存的能量輸出給負載和輸出電容。因此，當(dāng)MOS管按照固定頻率進行開與關(guān)時，電路在以上兩種狀態(tài)循環(huán)切換，電感在不斷充放電，將能量從電源輸入端搬送到輸出負載端，當(dāng)電路達到穩(wěn)定狀態(tài)，充放電平衡，各個周期完全重復(fù)。本發(fā)明電源可通過控制PWM控制器的使能RUN端實現(xiàn)過壓欠壓保護，還可以實現(xiàn)遠程控制；調(diào)節(jié)軟啟動端電容C能控制加電啟動時間，多種電壓加電時序；調(diào)節(jié)Rset端接電阻能調(diào)節(jié)PWM的開關(guān)頻率；調(diào)節(jié)電壓反饋FB端分壓電阻能改變輸出電壓，調(diào)節(jié)漏極采樣電阻(電阻R4和電阻R5)能設(shè)置輸出電流大小；還可以調(diào)節(jié)占空比以及通過調(diào)節(jié)斜坡補償來補償由于次諧波振蕩引起的輸出不穩(wěn)問題等，從而有效控制電流環(huán)路達到需要的電源特性等等。在開關(guān)電源的設(shè)計中，器件特性在大電流和高頻率中會有顯著的變化，因此在選取時要考慮諸多因素，例如電容的種類及其等效電阻值ESR，電阻的種類及其等效電感值 ESL，甚至一些寄生效應(yīng)等等。在本發(fā)明中關(guān)鍵元器件的選擇有以下幾點1.輸入電容Cin電源的輸入需要良好的去耦，因此輸入需要2個IOuf的陶瓷電容。另外，緊鄰控制器的地方也需要小容量陶瓷電容進行濾波，后者與小電阻一起組成小型RC濾波器。2.輸出電容C。ut輸出電容是儲能器件，一般選用大容量的鉭電容或電解電容。首先，電容需要滿足容值和耐壓值的選擇原則，并注意容值的穩(wěn)定性；其次，在升壓型電路中其輸出電流紋波是脈動方波，所以對輸出電容的選擇，很重要的一點就是要正確測量出輸出電容額定紋波電流的大小以應(yīng)付大紋波電流的情況，還要考慮電容的ESR值，紋波電流流經(jīng)ESR，產(chǎn)生熱量引起電容內(nèi)部溫度升高，在時間效應(yīng)下足以使其失效。實際使用時選擇2個200uF的鉭電容作為儲能元件。如果已知所需的輸出紋波電壓規(guī)范、ΔVOUT(以均方根值表示)以及計算得到的均方根紋波電流Δ I0UT，則可簡單地根據(jù)不等式ESRS Δ VOUT/Δ IOUT估算出輸出電容值。3.功率 MOSFET 管(Ml 和 M2)在選擇時要考慮MOS管的截斷電壓、閾值電壓、內(nèi)阻、最大漏電流以及熱阻、安全工作區(qū)等參數(shù)，實際使用時選取VISHAY公司的SI7852芯片。4.取樣(Sensor)電阻(R4 和 R5)本發(fā)明PWM控制器電流控制模式是通過采取取樣(Sensor)電阻上的壓降與內(nèi)部比較器進行比較，其最大值內(nèi)部設(shè)定為60mV，從而對電路進行過流保護，因此功率電感的最大電流限制在60mV/Rsms。r，因此，knsor電阻R應(yīng)該滿足R-Vsense(MAX)
2其中，R是取樣電阻的阻值，VSENSE(MAX)是取樣電阻上的最大壓降，Dmax為MOS管開關(guān)的最大占空比，I0(MAX)是最大輸出電流值。實際設(shè)計中需要取樣電阻的ESL盡可能小，并采用四端Kelvin電壓采樣方式來獲得取樣電阻，這樣的電壓檢測精度較高。5.功率電感L功率電感就是承載著MOS管開關(guān)時電路中能量轉(zhuǎn)換的載體，選取時應(yīng)該考慮飽和電流以及內(nèi)阻，最好選用屏蔽電感。實際使用時可選用coilcraft公司的D05010P-103HC電感，具有高度低，內(nèi)阻小等優(yōu)點。6. 二極管(Dl 和 D2)選擇低壓降肖特基二極管可以降低導(dǎo)通損耗，但注意其反向漏電流不能太大。本發(fā)明中選擇IR公司的30BQ060。7.軟啟動電容C軟啟動端如果外接電容，計算其充放電時間從而可以對加電進行時序控制，利用公式t = C女2. 44/lOuA來計算啟動時間，其中t是電源的啟動時間，C為軟啟動端接電容值。在布局布板上遵循以下原則開關(guān)電源布線關(guān)鍵是要分清楚大電流回路與小電流回路，輸出電容和二極管處于大電流路徑，應(yīng)盡量靠近控制器布線，以減少走線電感；輸入輸出分開走線，避免交叉；開關(guān)節(jié)點處盡量減少走線面積，避免形成天線效應(yīng)；反饋走線對輸出起著很關(guān)鍵的作用，應(yīng)盡量短，并遠離噪聲和干擾源，尤其是遠離電感；同時兩相走線保持一致以保證兩相均衡。另外，在緊鄰大電流器件下定義一層地平面，保證回路面積最小，同時，在控制器下方設(shè)計熱孔網(wǎng)絡(luò)，熱孔尺寸內(nèi)徑0. 3mm,間距1 1. 2mm。本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1. 一種基于多相PWM控制器的大功率電源，包括多相PWM控制器，其特征在于還包括 輸入電容Cin、軟啟動電容C、輸出電容Cout、電阻Rl R7、功率管Ml和功率管M2、電感Ll 和電感L2、二極管Dl和二極管D2 ；其中，輸入電容Cin接在PWM控制器的VCC端和地之間對輸入電壓進行濾波；電感Ll的一端接外部輸入電壓，電感Ll的另一端接二極管Dl的陽極端，二極管Dl的陰極端作為電源的輸出端Vout，電感L2的一端接外部輸入電壓，電感L2 的另一端接二極管D2的陽極端，二極管D2的陰極端接電源的輸出端Vout ；電阻Rl和電阻 R2構(gòu)成分壓電路與輸入電容Cin并聯(lián)，電阻Rl和電阻R2的公共端接PWM控制器的使能端 RUN ；電容C接在PWM控制器的軟啟動端SS和地之間；電阻R3接在PWM控制器的開關(guān)頻率調(diào)節(jié)端Rset和地之間；功率管Ml的柵極端接PWM控制器的第一門控端GATEl，功率管Ml的漏極端同時接PWM控制器的第一取樣端SENSEl和電阻R4的一端，電阻R4的另一端接地， 功率管Ml的源極端接二極管Dl的陽極端；功率管M2的柵極端接PWM控制器的第二門控端 GATE2，功率管M2的漏極端同時接PWM控制器的第二取樣端SENSE2和電阻R5的一端，電阻 R5的另一端接地，功率管M2的源極端接二極管D2的陽極端；電阻R6和電阻R7構(gòu)成分壓電路與輸出電容Cout并聯(lián)，電阻R6和電阻R7的公共端接PWM控制器的電壓反饋端FB控制輸出電壓；輸出電容Cout接在電源的輸出端Vout和地之間。
全文摘要
一種基于多相PWM控制器的大功率電源，包括多相PWM控制器、輸入電容Cin、軟啟動電容C、輸出電容Cout、電阻R1～R7、功率管M1和功率管M2、電感L1和電感L2、二極管D1和二極管D2，本發(fā)明電源基于多相PWM控制器進行設(shè)計，便于實現(xiàn)大功率的低壓直流電源，采用的器件均為常見的阻容感及MOSFET器件，與相同功率的電源模塊相比，其采用的阻容感器件體積小，減少了對外圍輸出電容和輸出電感的要求，增大了功率密度，而且相對于封裝好的電源模塊更加便于散熱，轉(zhuǎn)換效率高。通過選擇合適的器件可以搭建出符合各種不同應(yīng)用環(huán)境的電源，同時實現(xiàn)電源綜合性能最優(yōu)。
文檔編號H02M3/156GK102545609SQ20111046087
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月29日
發(fā)明者李斌, 楊雄軍, 謝伍瑤, 陸紅 申請人:北京遙測技術(shù)研究所