小体积低纹波DC

电源与节能技术ＤＯＩ：１０．１９３９９／ｊ．ｃｎｋｉ．ｔｐｔ．２０２３．０３．０３２
小体积低纹波DC/DC变换器设计
展栋，张虹，王远博，柳明华
（陕西华经微电子股份有限公司，陕西西安710065）
摘要：介绍了一种小体积低纹波DC/DC变换器的设计过程。

依据设计目标参数，对设计方案进行选择，介绍了正激式拓扑结合反相器方案中主要器件选型和设计以及调试遇到的问题。

改进设计方案，通过反激式拓扑和低压差稳压器相结合实现了小体积低纹波的DC/DC变换器设计。

关键词：DC/DC变换器；小体积；低纹波；反激式
Small Low Ripple DC/DC Converter Design
ZHAN Dong, ZHANG Hong, WANG Yuanbo, LIU Minghua
(Shaanxi Huajing Micro-Electronic Co., Ltd., Xi’an 710065, China)
Abstract: This paper introduces a kind of small volume, low ripple of DC/DC converter design process. According to the design target parameters, the design scheme selection, this paper introduces the scheme of forward type topology in combination with the inverter in main device selection and design, and debugging problems. Then improved design scheme, through the combination of the flyback topology and Low-Dropout Regulator(LDO) to implement small volume, low ripple of DC/DC converter design.
Keywords: DC/DC converter; small volume; low ripple; flyback type
0 引 言
开关电源因其极高的效率和较小的体积成为当
今研究热点，但其纹波干扰较大[1,2]。

目前，DC/DC
变换器的趋势是多路输出、小体积。

本文介绍了一种
小体积、低纹波双路输出DC/DC变换器设计及实验
情况，分析了初次设计存在的问题，并最终改进达到
设计目标。

1 双路输出DC/DC变换器的电路设计
1.1 主要器件选型和设计
双路输出DC/DC变换器的电路设计参数如下文
所述。

外形尺寸：长×宽×高≤25.8×25.8×5.5（mm3）；
输入电源电压：8～16 V；
输出电压：U
O1
=（5±0.15）V，U O2=（-5±0.15）V；
输出电流：I
O1
=≤200 mA，I O2=≥-200 mA；
电压调整率：S
v1
≤50 mV，S v2≤150 mV；
电流调整率：S
I1≤50 mV，S I2≤150 mV；
输出纹波电压：U
RIP1
≤20 mV，U RIP2≤20 mV；
输入与输出隔离，绝缘电阻U
DC
=500 V，R I≥
100 MΩ。

选择电路的组装工艺。

外形尺寸为25.8×
25.8×5.5（mm3），外形很小。

采用厚膜混合集成电
路裸芯片组装工艺，可大大节省内部空间提高集成度。

电路模式的选择：电路设计方案拟采用以脉宽调制器
为核心的单端正激式电路，输出负路通过输出正路经
过反相器变换得到。

输入与输出通过变压器隔离，确保绝缘满足要求。

确定好初步方案后，开始选择几个主要的器件实现具
体功能。

（1）壳体的选择。

陕西华经微电子股份有限公
司现有的25.4×25.4×5.2（mm3）全金属、平行缝焊
壳体有3个优点：一是有利于散热，金属壳体良好的
导热性使得产品更加可靠；二是很好的屏蔽功能，可
有效降低外部对产品的电磁干扰，同时也可降低对外
部的辐射；三是能更好地结合公司厚膜混合集成电路
裸芯片组装工艺。

（2）脉宽调制器的选择。

脉宽调制器作为DC/
DC变换器的核心器件，起着大脑指挥的作用。

电源
输出功率小，输入电源电压为8～16 V。

目前，二
次电源输入中心电压以28 V居多，通常要求的输入
电压范围为16～40 V。

设计参数要求的电压低，常
用的脉宽调制器并不适用，所以选择低开启电压的脉
宽调制器UCC1803（开启电压为4.1 V）。

（3）变压器的选择。

产品要求的总高度有限，
收稿日期：2022-12-14
作者简介：展栋（1983—），男，陕西户县人，硕士研究生，工程师，主要研究方向为厚膜混合集成电路以及DC/DC 电源的设计与开发工作；
张虹（1989—），女，陕西宝鸡人，硕士研究生，工程师，主要研究方向为厚膜混合集成电路以及DC/DC电源的设计与开发工作；
王远博（1986—），男，陕西西安人，本科，工程师，主要研究方向为科研项目管理；
柳明华（1986—），女，陕西蓝田人，本科，工程师，主要研究方向为厚膜混合集成电路的工艺技术与开发。

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除去壳体底部（通常1.5 mm ），内部可用空间高度
小于4 mm 。

常用的变压器形式主要有表贴和磁罐引出线2种。

目前5 W 只有的表贴变压器高度都在4 mm 左右，只算底座高度，不考虑基板的厚度，高度已经超出了最大尺寸，另外其长宽尺寸相比于罐形也大，不利于布板。

所以本设计选用φ7×4的磁罐，磁罐直径为7 mm ，高度为4 mm 。

同时在底座上铣槽子放磁罐，因磁罐不必像表贴变压器必须贴装在线路基板上，可以直接粘接在底座上。

这样既节省了布板空间又满足了高度要求。

（4）反相器的选择。

查阅资料后选择LM 2776开关电容反相器。

LM 2776电荷泵电压转换器可将2.7～5.5 V 范围内的正电压反向，从而获得等值负电压。

LM 2776外端仅需接3个电容就能实现最大250 mA 的输出电流。

内部无电感，因此体积小辐射低，工作效率高达90%以上，封装采用SOT-23(6)，外形尺寸为2.9 mm×1.6 mm 。

（5）变压器的设计。

如前所述，选择PC 50直径7 mm 的磁罐。

选定磁芯型号后，开始确定变压器匝数。

由于输出是矩形波，因此使用伏秒方法计算初级匝数[3,4]。

初级最小匝数的计算公式为 N min =U cc t on /(B max A e ) （1）式中：U cc 为原边直流电压，V ；t on 为最大“导通”时间，μs ；B max 为最大磁通密度，T ；A e 为有效磁芯面积，mm 2。

原边直流电压取输入中心电压12 V ，U cc =12 V ；工 作频率f =330 kHz ，总周期p 3
11
μ333010t s f =
==×， 假设最大脉宽是周期的40%，t on =3×0.4=1.2 μs ；从开关电源手册（第3版）表7.2b 中可查到Φ7磁芯A e =7 mm 2 [5]。

最大磁通密度的选择：通常为了留出一定裕量，一些设计手册推荐的值为1 600G ，即B max = 1 600 G=0.16T 。

这样，N min =U cc ×t on /（B max ×A e ）=12×/（0.16×7）≈ 12.9（匝），匝数取整数，即初级匝数取13匝。

次级匝数的计算：正激式为连续电流工作方式，因此有
s on
out on off U t U t t =
+
（2）
式中：U out 为输出电压；U s 为变压器次级电压。

最小次级电压是7.14 V ，加上整流二极管的压降和其他一些线路损耗，故U s 取8 V 。

该值是在假设输入电压最小时计算得出，所以只有在输入电压最小时有效，即此时U cc =8 V 。

因初级匝数为13匝，每匝电压
U pt =U cc /N =8/13≈0.615 V 。

最小次级匝数N P 的计算公式为U s /U pt =8/0.615≈ 13匝。

匝数取整，即次级最小匝数为13匝。

（6）开关管的选择。

产品输入电压为8～16 V ，输出功率仅为2 W ，输入电压和电流都较小，选用普通的MOS 管就能够满足要求。

只要体积小，有小的导通电阻就可以。

当输入16 V 时，加上不规则的波形变化和开关管尖刺电压，MOS 管漏极电压不超过50 V ，考虑降额设计，100 V 耐压的开关管足够。

（7）整流管选择。

变压器匝比13∶13，输出电流为400 mA ，最大输入电压16 V ，输出整流管最大电压为16 V ，考虑到尖峰电压和降额设计，选择低导通损耗、耐压45 V 的肖特基裸芯片二极管。

1.2 实验组装验证测试结果
产品正路输出空载和带载正常，负路空载时正常，带载启动时只有不到-4 V 输出。

这个出现问题的地方比较明确，负路是从正路输出经过反向变化得到，正路输出正常，就是负路转换出现问题。

而负路的核心器件就是LM 2776，仔细阅读它的技术资料，并没有发现问题。

起初怀疑是否是因为正路输出过来的电压纹波干扰太大，影响了反相器的转换。

于是断开输入电源，中止DC/DC 变换器的输入，输出关断，再将直流稳压电源设置5 V 直接接入LM 2776反相器的输入，结果还是一样，输出不正常。

始终找不到具体原因，周边参数均是按资料推荐参数设计，试着改变参数也没效果。

如果IC 本身没有问题，分析原因有可能是2 MHz 高频率下对布板等要求比较苛刻，不能达到它的理想状态。

假如真是这样的原因，要想达到最终目标可能需要很多次改版尝试，很明显这是不划算的。

2 双路输出DC/DC 变换器的设计改进
如前所述，当选用通过反相器从正路直接变换的方式获得负路实验失败后，如果继续使用这种模式会有2个问题：一是选用其他型号反相器可能出现和之前类似的问题；二是选择性少，若不采用这种简单模式的方法，选用其他外围元件复杂的变换器也就失去了占用空间小的优势。

于是决定修改设计方案，反激式拓扑也可实现超低纹波输出[6]。

利用正路去掉滤波电感、输出续流管和反相器LM 2776留下的空间，增加负路整流滤波电路。

变压器次级双线并绕不占用额外空间。

根据经验反激式纹波若不加特殊处理很难实现低纹波。

可供选择的方法一般有2种，一是输出端后级再加一个二级滤波电路，二是增加一个线性低压差稳压器（Low-Dropout Regulator ，LDO ）。

二级
滤波电路可由电感量小的滤波电感和电容组成，可有效减小纹波，但仍属于开关电源纹波范畴，低压差稳压器则不同，它更接近线性稳电源，纹波可大幅度减小，所以选择低压差稳压器二次滤波。

其改进原理如图1所示。

LDO选择体积小、电压差低的型号。

TPS735型低压差稳压器：外形体积为2×2×0.8（mm3），相当小。

输入电压为2.7～6.5 V，最大输出电流为500 mA。

输出为500 mA 时，典型压降只有280 mV，本设计最大电流为200 mA，满足设计裕量要求。

而且对于这种低压差稳压器，一般输出电流越小，压降越小、损耗越低。

图1中LDO1和LDO2均选用TPS735。

更改后电路的核心脉宽调制器、开关管、整流管等型号不变，变压器的磁芯仍选用φ7×4的磁罐。

改为反激式拓扑后需要重新设计变压器，次级改为双线并绕。

反激式变压器的设计。

电感不是反激式变压器开始阶段考虑的参数，因为电感控制的是电源的工作模式，不是变压器设计的主要需求，电感设计放在后期考虑[4]。

首先确定最小初级匝数N
min
为
N min=Ut/(ΔB ac A e) （3）式中：U为施加的直流电压，以产品的最低输入电压8 V计算；t为导通时间，工作频率为330 kHz，总周期为3 μs；反激式最小工作电压和最大负载时，导通时间尽量不要超过总周期的50%，半周期为1.5 μs；ΔB
ac
为最大交流磁通密度，按照通常推荐
值0.16 T。

前面已知Φ7磁芯为7 mm，带入后可以计
算出最小初级匝N
min
等于10.7匝，取整11匝。

计算次级匝数。

开关关闭时，储存在变压器中的磁场能量会传递到电容和负载。

初级每匝伏特数为8/11（V/N）。

次级输出电压为5 V，二极管压降估算为0.3 V，相关电路及次级压降估算为0.2 V，次级的电压应为5.5 V。

次级匝数为
5.511
==7.6
8
V N
N
V
×
≈
次次
次
初
（匝）（4）取整后次级匝数为8匝。

气隙的确定，与正激式不同，反激式变压器必须有气隙，因为反激式变换器工作在连续方式时，会产生大量的直流电流成分，使变换器磁芯饱和。

带气隙后B-H曲线斜率减小，能够在较大的直流条件下防止磁芯饱和。

磁芯气隙也有方法计算，但往往不太简洁实用，实际中经常采用的方法是在磁芯中加入小气隙，手动实验试探性加载，验证脉宽及整个范围带载情况，逐步加大气隙直到变换器全范围正常。

由于匝数确定，这时候的电感量就是所要求得的电感量。

相同匝数、相同磁材的磁芯要达到相同的电感量，气隙也要基本相同，这样就确定了气隙的大小。

设计完成后，对变换器参数进行整体调试，最终将变压器初次级匝数确定为12∶8，其他环路参数也进行微调，变换器实验测试电特性情况如表1所示。

IN+ IN-
L1
C6
C3
C5
C4
C7
C2
C15
C13
C16
C12
IC2
VO1
VO2-
IC3
C9
R12
R1
R15
R8
R7
R6
R5
R17
R9
R2
R3
R14
LDO1
LDO2
GND
R13
R10
T1
C1
D4
D1
D5
IC1
IC2
2
1
37
84
6
5
D2
Q2
Q3
Q1
图1 选用低压差稳压器二次滤波的改进方案
表1 变换器实验测试情况
低端8 V高端16 V空载带载12 V电压调整率负载调整率纹波输出电流绝缘电阻要求值4.85～5.15 V4.85～5.15 V4.85～5.15 V4.85～5.15 V≤50 mV≤50 mV≤20 mV≤200 mA≥100 MΩ输出正5.073 V5.068 V5.080 V5.072 V5 mV8 mV10mV合格合格
要求值-5.15～-4.85 V-5.15～-4.85 V-5.15～-4.85 V-5.15～-4.85 V≤150 mV≤150 mV≤20 mV≥-200 mA≥100 MΩ输出负-5.065 V-5.024 V-5.080 V5.055 V21 mV25 mV11 mV合格合格
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控功能即在远程PC 端对电源系统中各元件状态信息
的集中显示，如图9所示。

远程PC 端上参数设置功能与电源本地触摸屏的组态内容一致，即可在远程PC 机上对PLC 控制器内参数进行设置，如图10所示。

远程手/自动控制功能即在远程PC 端对本地电源的
启停操作，可手动模式对单一执行元件进行独立控制，
也可对电源整机进行启停控制。

图9 数据监控画面
图10 参数设置画面
3.4 异常报警与维护工单派发
在对铝空气电源进行数据配置的同时，可定义实际数值与标准值的偏差范围，根据偏差范围自动判定电源状态。

当平台监控过程值达到预设值时，将自动发出报警提示，同时生成维护工单，并将工单以短信息的形式推送至维保人员的手机号上，从而实现在线巡检和精确诊误维护。

4 结 论
铝空气燃料电源作为一种比能量大、高安全性的新型绿色能源类发电装置，其维护的复杂性是制约其发展的原因之一。

通过本系统的应用，操作和管理人员可以在本地PC 机和手机App 上对远程多台铝空气燃料电源设备进行线上集中巡检和操控，为维保单位减少了现场巡检的各项成本，对异常快速排查和安全运行提供了依据和保障，提高了效率和安全性，对铝空气燃料电源的推广起到了重要的推动 作用。

参考文献：
[1] 张思雨，周俊波，陈良超，等.铝空气电池研
究和应用趋势综述[J].电池，2021，51（5）：526-529.
[2] 张 玲.基于物联网技术的应急救援装备使用
管理系统研究[J].中国应急救援，2021（6）：49-53.
[3] 张发裕.基于物联网技术的配电网智能监控系
统分析[J].大众标准化，2022（21）：61-63.[4] 张湘涛，黄杰波，陈泽翰.物联网技术在工业
自动化中的应用[J].数字技术与应用，2022，40（9）：120-122.
[5] 吴维斐，彭忆强，何 勇，等.一种用于增程
式低速电动汽车的铝-空气金属燃料电池系统设计[J].西华大学学报（自然科学版），2019，38（2）：31-35.
3 结 论
双路输出DC/DC 变换器的实验测试满足设计要求，验证了低输入电压下，通过反激式拓扑和低压差稳压器相结合实现了小体积低纹波的DC/DC 变换器设计方案。

参考文献：
[1] 胡广亮，李开宇，李 磊，等.高精度低纹波
的可调线性稳压电源设计[J].电子测量技术，2019，42（20）：24-27.
[2] 宋 飞，胡世平，姚信安.开关电源低纹波设
计研究[J].价值工程，2011，30（19）：30.
[3] 胡君臣.高频变压器设计与制作[J].电气开关，2005（1）：8-13.
[4]
BILLINGS K.开关电源手册[M].2版.张占松，汪仁煌，谢丽萍，译.北京：人民邮电出版社，2006.
[5] PRESSMAN A I.开关电源手册[M].3版.王志强，译.北京：电子工业出版社，2011.
[6]
金 阳，李 浩.基于反激拓扑的超低纹波双路输出DC/DC 变换器设计[J].电子技术与软件
工程，2021（22）：102-105.
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