先進的電源轉(zhuǎn)換拓撲可實現(xiàn)寬輸入電壓范圍和高效率，使模塊化DC-DC轉(zhuǎn)換器能夠滿足軍用電源總線要求并簡化電力電子系統(tǒng)設計。

現(xiàn)代軍用車輛和飛機上裝滿了敏感的電子設備。車輛中的電力通常是從車輛電池中獲取的24伏直流（VDC），而在飛機上可能是28 VDC，270 VDC，甚至115伏交流電（VAC），但這種電源總線是未調(diào)節(jié)的，嘈雜的，并且受電壓瞬變的影響。隔離式電源對于轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)構成每個電子設備的分立電氣元件（如FPGA、存儲器和顯示器）所需的許多電壓是必要的。進度和成本壓力推動了向使用現(xiàn)成DC-DC轉(zhuǎn)換器的模塊化電源解決方案的轉(zhuǎn)變。隨著趨勢繼續(xù)朝著更小、更高效、更高性能的電子設備發(fā)展，將電壓瞬態(tài)能力直接集成到DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊中可以簡化電源系統(tǒng)設計，并在效率、尺寸和重量方面提高整體系統(tǒng)性能。

嘈雜的電源總線

MIL-STD-1275，目前是修訂版 E，用于管理 24 VDC 軍用車輛電源。即使電壓取自車輛的電池，它也不是簡單的直流電壓。MIL-STD-1275規(guī)定了各種瞬態(tài)條件，這些條件必須考慮在可靠的系統(tǒng)設計中。在發(fā)動機啟動期間，電壓在初始嚙合浪涌期間可以急劇下降到12 V，然后在16 V的啟動水平上保持長達30秒。修訂版 D 將更嚴重的初始嚙合浪涌調(diào)至 6 V.開關負載可能導致持續(xù)時間短、有限能量的電壓尖峰，峰值高達 +/-250 V，通常由接線電感引起。這些尖峰通常可以被夾緊或過濾。較長的持續(xù)時間和更高的能量電壓浪涌可能是由較大的開關負載或交流發(fā)電機上的階躍負載引起的。交流發(fā)電機負載突降就是一個典型的例子，其中大負載（如電池）突然斷開連接。交流發(fā)電機不能快速降低其輸出，而是將要為電池充電的能量放入28 VDC總線，從而導致較大的電壓浪涌。這種類型的浪涌不能被鉗位或過濾。例如，它必須用串聯(lián)通過器件（例如金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET））來阻擋;更優(yōu)選的是，它必須落在下游電子設備的輸入范圍內(nèi)。

軍用飛機的動力由MIL-STD-704控制，目前為修訂版F。雖然270 VDC和115 V，400 Hz AC的電壓很常見，但為嵌入式電子設備供電時通常遇到的電壓為28 VDC。MIL標準詳細說明了正常，異常和緊急操作以及電啟動。每種模式都包含穩(wěn)態(tài)電壓范圍和可能的瞬變。修訂版F中的最大瞬變?yōu)?0 V;但是，修訂版A（某些設備仍必須符合）包括80 V瞬變。異常操作包括七秒壓差，盡管由于通過該壓差的不間斷操作需要大量能量存儲，例如保持電容器組或電池，因此允許某些設備關閉并重新啟動。

表1和表2顯示了MIL-STD-1275和MIL-STD-704的各種工作模式和相關電壓電平。每個應用可能不需要在每個條件下運行，但結合最壞情況的值，軍用車輛的總電壓變化可能高達6 V至100 V，飛機的總電壓變化可能高達12 V至80 V。這是DC-DC轉(zhuǎn)換器工作的寬電壓范圍。商用和電信DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊的輸入范圍通常僅為18 V至36 V。甚至一些針對軍事的模塊也只是略微擴展了該范圍，但仍然沒有直接插入軍用動力總線。通常的解決方案是以分立電路或單獨模塊的形式添加額外的輸入瞬態(tài)保護。這種增加的復雜性與縮小電子產(chǎn)品的目標背道而馳。理想的解決方案是DC-DC轉(zhuǎn)換器直接處理這些瞬態(tài)電壓。

表 1 和表 2：MIL-STD-1275E 和表 2 |軍用-標準-704F.

拓撲選擇

大多數(shù) DC-DC 轉(zhuǎn)換器模塊使用降壓派生的拓撲結構，例如正激式、推挽式、半橋式或全橋式。這些拓撲結構廣為人知，并且具有良好的效率。然而，它們在寬輸入電壓范圍內(nèi)往往工作不充分，這主要是由于轉(zhuǎn)換比有限和開關上的高壓應力。

一個簡單的替代方案是反激式拓撲。反激式是最簡單的隔離式拓撲結構，具有一個主開關、一個次級開關和一個用于隔離和能量存儲的磁性元件。其轉(zhuǎn)換比為n?D/（1-D），其中n為變壓器，D為占空比。它的實際范圍為0.1n至3n。這比降壓派生拓撲的轉(zhuǎn)換比要寬得多，后者為n?D，實際范圍為0.1n至0.9n或更小。反激式還在其初級和次級開關上保持低電壓應力。

雖然反激式在寬范圍應用中表現(xiàn)出色，但它通常被認為是低功耗或低效率拓撲結構。主要原因是它具有脈動輸入和輸出電流。這導致輸出電容中的高均方根電流，從而導致高輸出紋波。它還會在主開關和輸出整流器中產(chǎn)生高峰值和均方根電流，從而導致效率降低。一旦解決了這些缺點，反激式拓撲的優(yōu)勢就可以實現(xiàn)。

修復反激式

隨著功率的增加，脈動輸出電流很麻煩，但超低等效串聯(lián)電阻（ESR）電容器（多層陶瓷或固體鉭）是輸出的良好選擇。這些電容器可以可靠地處理高均方根電流，并提供低電壓紋波。第二級L-C濾波器進一步降低了輸出紋波。

輸出整流器中的高損耗可通過同步整流進行補救。輸出整流二極管被一個低導通電阻、低柵極電荷 MOSFET 所取代。然后，MOSFET 與主開關同步切換為異相。MOSFET上的壓降和功率損耗可能低于肖特基整流器的壓降。訣竅是定時MOSFET的柵極，以最大限度地降低功率損耗。自驅(qū)動方案（柵極由變壓器驅(qū)動）和集成解決方案在高頻反激式轉(zhuǎn)換器中往往不能很好地工作。從脈寬調(diào)制 （PWM） 控制器同時驅(qū)動初級 MOSFET 和同步 MOSFET 可實現(xiàn)精確的時序，這是將功率損耗降至最低的關鍵。（圖 1。必要的柵極驅(qū)動信號可以跨隔離邊界以數(shù)字方式傳輸。

圖 1：反激式拓撲結構，具有次級側(cè)脈寬調(diào)制 （PWM） 和控制驅(qū)動的同步整流器，可實現(xiàn)最佳效率。

在較高的功率水平下，反激式拓撲仍然是一個不錯的選擇。而不是加強組件，而是并行添加多個功率級。然后，這些級被異相操作，從而實現(xiàn)輸入和輸出電流紋波消除。抵消效應顯著，大大降低了電容器中的均方根電流。它還增加了紋波頻率，進一步減小了濾波器尺寸。

尺寸、重量和功率問題

提高功率轉(zhuǎn)換效率不僅可以節(jié)省能源，而且通過減少作為熱量耗散的功率，簡化熱設計，甚至減小布線尺寸，該技術可以減輕重量。功率轉(zhuǎn)換效率通常可以通過增加尺寸來提高，但巧妙的設計可以實現(xiàn)更小的尺寸和更高的效率。將全輸入電壓瞬態(tài)順應性直接集成到 DC-DC 轉(zhuǎn)換器中，可減小尺寸和復雜性，最終提高可靠性。

這些寬范圍隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器的例子可以在VPT Inc.的VXR系列中看到，其輸入電壓范圍為9 V至60 V，可以處理高達100 V的瞬變，并實現(xiàn)高達90%的效率。

審核編輯：郭婷