低輸入電壓同步整流型Buck變換器

摘要：為了減小中小功率多路輸出DC／DC變換器的體積，一般采用單端反激磁隔離反饋技術，次級采用多繞組整流輸出加線性串聯電壓調整器或磁放大器二次穩壓控制方式。由于低壓差三端穩壓器為線性串聯調整方式，因此隨著輸入輸出電壓差的增大，效率會隨之降低，并且低壓差三端穩壓器在空間應用還存在單粒子瞬態效應，造成輸出電壓跳變。針對空間飛行器對高可靠性、高效、低輸入電壓降壓變換器的應用需求，用通用PWM控制技術，設計了一種輸入電壓最低可達3 V的同步整流型Buck變換器，提高了DC／DC變換器效率。
關鍵詞：變換器；低輸入電壓；同步整流

1 引言
對于采用多電壓供電的設備，最直接的辦法是采用多個獨立的DC／DC變換器，但會導致電源體積變大，效率不一定達到最優，甚至在某些情況下，由于各個DC／DC變換器的工作頻率不一致，導致輸出拍頻干擾。因此，從簡化電源設計角度出發，目前常用的多路輸出控制技術主要有：通過輸出電感磁耦合的交叉調節方式、加權反饋控制方式、磁隔離反饋結合二次穩壓控制方式等。電感磁耦合控制方式主要適用于輸出需電感續流的拓撲，如單端正激拓撲；磁隔離反饋結合二次穩壓控制方式一般適用于單端反激拓撲，通過磁隔離反饋控制閉環，輸出各路的電壓通過與反饋繞組的匝比確定，次級通常采用低壓差三端穩壓器進行二次穩壓或采用高頻可控飽和電感(磁放大器)進行二次穩壓。
在此針對空間飛行器對高可靠性、高效、低輸入電壓降壓變換器的應用需求，提出了一種應用PWM控制芯片UC1843以及MOSFET驅動芯片TP S2813實現次級同步整流的Buck變換器的電路設計。設計了一種輸入電壓為3．6 V，輸出為1 V／7 A的隔離式DC／DC變換器，并用實驗結果驗證了設計的可行性和有效性。

2 總體電路的考慮
若直接采用串聯線性穩壓調整方式可實現降壓變換。如采用串聯調整管，利用運算放大器進行閉環反饋控制的方式，或直接采用串接低壓差三端穩壓器的串聯穩壓調整方式。這兩種方式的缺點是效率低，且前一種需要低壓供電的運算放大器和低壓開啟的MOSFET，沒有宇航級器件。
開關變換方式可以采用自激式或他激式。自激式變換器線路簡單，無需PWM控制器，但缺點是驅動信號受電路工作狀態影響以及其開關頻率取決于電路中儲能電感，因此這里采用他激式控制方式。采用他激式控制方式需要解決的問題是，常規PWM控制器的最低啟動電壓均高于8 V，因此直接利用輸入電壓無法完成電路啟動，需要設計Boost電路給PWM控制器提供啟動電壓，當電源輸出后，通過自持供電電路給PWM控制器持續供電。電路總體框圖如圖1所示。

3 升壓啟動電路和輔助供電電路的設計
設計使用了一種雙管自激Boost啟動電路給PWM控制電路啟動供電(一般PWM的啟動電流為幾個毫安或十幾個毫安)，在DC／DC變換器正常輸出后，通過自持電路維持供電，Boost啟動電路原理圖如圖2所示。

該電路穩態工作時分4個階段：①輸入電壓通過R1給VT1啟動電流，VT1導通，VT2，VD4截止，輸入電能通過L1進行儲能，電容C1放電；②VT1工作于飽和區，VT2逐漸進入飽和區；③VT2工作于飽和區，VT1截止，VD4導通，L1中儲存的磁能轉換成電壓uL和輸入電壓串聯，向C1及負載供電；④L1電流逐漸減小，VT2逐漸退出飽和區。