多路输出隔离直流电源的研究(1)
2023-04-14

模块电源是可以直接贴装在印刷电路板上的电源供应器,可为专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器 (DSP)、微处理器、存储器、现场可编程门阵列 (FPGA) 及其他数字或模拟负载提供供电。一般来说,这类模块称为负载 (POL) 电源供应系统或使用点电源供应系统 (PUPS)。由于模块式结构的优点明显,因此模块电源广泛用于交换设备、接入设备、移动通讯、微波通讯以及光*输、路由器等通信领域和汽车电子、航空航天等

随着梅河口市多电飞机的日益电气化和机载电气设备的日益复杂,多路输出隔离DC电源的需求越来越大。*统的多输出隔离DC电源通常通过在变压器对设置多个绕组来扩展输出通道,但存在以下问题:1)输出路径数量有限,2)辅助电路精度低,3)任何一个输出的过载故障都会影响其他路径的正常工作。对上述问题的进一步研究将有助于拓宽多路输出电源的应用范围。本文研究了一种两级多输出隔离DC电源。前级LLC谐振电路实现电压隔离转换和输出稳压,后级采用多路功率晶体管开关电路实现输出通道的扩展和各路输出的独立控制。采用基于反馈电容的控制策略来降低后级功率晶体管在阻性-容性负载下导通时的电流尖峰,推导出不同负载下后级功率晶体管开关过程中电压和电流的变化规律。为了提高多路输出电源的故障保护能力,研究了一种可变励磁电感的变压器,并将其应用于LLC谐振电路中,针对输入掉电和输出过载故障优化电路设计,通过降低励磁电感,可以有效增加断电时间。设计每个独立的过载保护电路,使任何一路故障都不影响其他路的正常工作。此外,还研究了补偿电路,有效地解决了后级电路增加负载调整率的问题。对于电源后级的功率晶体管,分析器件可能经历的不同任务剖面,提取不同任务剖面对应的功率晶体管结的温度变化。建立了功率管的物理模型,通过有限元仿真得到了不同任务剖面下功率管内部的热应力分布,分析了功率管的失效机理,利用失效物理方法建立了功率管的寿命模型,实现了实际任务剖面下功率管的寿命预测。为了验证本文分析和设计的正确性和有效性,搭建了28V输入、5 + 15V输出的75W电源实验样机,测试了电路的基本工作特性和故障保护功能,通过调节变压器的励磁电感,电源掉电保持时间可以提高到原来的3倍左右;电源可以识别故障类型,采用不同的保护策略隔离故障,其他路由的工作不受影响。此外,搭建了28V输入、5 + 15V、5-15V和5 + 5V输出的175W电源实验样机,进行了热结构分析,实现了电源的模块化和集成化设计,并基于样机验证了负载调整率补偿电路的补偿效果。