摘要：针对空间科学实验5V～95V宽范围可调直流电源的应用需求，设计了一款基于开关稳压控制芯片LTC3779并由FPGA+DAC控制输出反馈实现电压连续可调的直流稳压电源。本文对该电源的系统组成及工作原理进行了详细分析，并对研制完成电源实物的测试试验结果进行了说明。实测该电源功率大、效率高、工作稳定可靠，已成功应用于空间站某科学实验项目电控装置中。

关键词：LTC3779，4开关拓扑，降压-升压，宽范围可调电源

Abstract：According to the application of 5V～95V wide-range adjustable DC power supply in space science experiments， a DC regulated power supply based on LTC3779 is designed with its output feedback controlled by FPGA+DAC. This paper analyzes the system composition and working principle of the power supply in detail， and explains the test results of the developed power supply. The test results show that the power supply has high power， high efficiency， stable and reliable. The power supply has been successfully applied to a electronic control device of a scientific experiment project in the space station.

Keywords：LTC3779，4-switch topologies， Buck-Boost， wide range adjustable

1 引言

在特定的空间科学实验应用中，需要控制加热元件将实验对象的温度快速升高到精确的特定值，快速加热时需要较高的电压去驱动加热元件，到设定温度附近需要精确控温时又需要有较高精度的低电压驱动加热元件。因此需要设计一款输出电压范围较宽、精度较高的稳压电源以满足该应用需求。同时在空间应用中其输入电源是由一次母线提供的直流供电，一次母线额定电压有+28V、+48V等，因此为实现5V～95V的输出要求电源同时具有升压和降压功能。本文结合上述实际应用要求，选用高性能降压-升压型开关稳压控制器LTC3779，结合外部FPGA+DAC的控制电路，设计了输入电压范围覆盖+24V～+52V、输出电压为5～95V可调的宽范围直流稳压电源。

2 电路设计方案

设计的稳压电源主要由输入保护及浪涌抑制电路、LTC3779电路、四开关拓扑电路以及FPGA+DAC反馈控制电路等组成，其原理框图如图1所示，

输入保护及浪涌抑制电路实现外部输入供电信号的过流保护、电压和电流浪涌抑制功能。LTC3779电路控制后级四开关拓扑电路的开关状态，实现降压、升压或等电压输出。四开关拓扑电路由4个MOSFET开关和1个电感组成，通过对开关的导通、断开状态进行配置，可以实现自由工作在降压或者升压模式。FPGA+DAC反馈控制电路通过调节给LTC3779的VFB引脚的反馈电压的变化实现对输出电压的宽范围可调控制，FPGA还通过RUN引脚实现LTC3779的使能控制；输出电压和使能控制指令则有FPGA通过外挂RS-422接口进行接收。

2.2 硬件电路设计

2.2.1输入保护及浪涌抑制电路

为保护稳压电源及后级设备，外部电源输入后由过流保护、电压和电流浪涌抑制等电路进行防护，如图2所示。

过流保护电路采用并联冗余的非平衡式过流保护方案，确保电源及后级设备出现短路故障时，不影响母线的供电安全。熔断器需根据后级驱动设备的工作电流进行选型，采用两只并联，本设计选用的熔断器最大电流可达6A。电压浪涌抑制使用一个瞬态电压抑制二极管TVS实现。电流浪涌抑制电路由电阻、电容、稳压管和PMOS管构成，通过在PMOS管栅极并联电容来延长开通时间，并限制漏极电压下降速度，从而减小施加至滤波电容的dv/dt，最终达到限制浪涌电流的作用。

2.2.2 LTC3779电路

LTC3779电路由LTC3779芯片和其外部的配套分离元件组成，实现对四开关拓扑电路的控制、同步整流以及电压电流监测等功能。LTC3779是一款高性能降压-升压型开关稳压控制器，其可在输入电压高于、低于或等于输出电压的情况下工作。其支持4.5V至150V的宽输入电压范围，通过选型不同的外部元件可实现1.2V～150V宽范围的输出电压调整。具备输入输出电流限制保护、电源良好输出电压监视、可调软启动以及输入过压闭锁或停机输出电压关断等功能[3]。

2.2.3 四开关拓扑电路

四开关拓扑电路由4个MOSFET开关和1个电感组成，图3a所示是四个电源开关连接电感、VIN（输入电压）、VOUT（输出电压）和GND的简化图。图3b显示了输出与输入电平或者开关状态对LTC3779的工作区域的相关影响。当电源开关被正确控制的时候，区域之间的转换是连续的。添加控制变换迟滞可以防止输出电压在区域之间转换时过渡抖动。

当输入电压显著高于输出电压时，四开关拓扑电路将在降压（BUCK）区域运行。此时，开关C恒关闭、D恒开，开关A和B由极性相反的PWM信号控制，根据感应到的电流值大小通过控制开关A的占空比增大/减小实现输出电压的增大/减小。当开关A的占空比增大到最大占空比DCMAX_BUCK，即输入电压接近输出电压时，则进入减压/升压（BUCK/BOOST）区域，该区域内4个开关均由PWM信号控制。当输入电压显著低于输出电压时，进入升压（BOOST）区域，此时开关A恒开、同步开关B恒关。开关C和D由极性相反的PWM信号控制，根据感应到的电流值大小通过控制开关C的占空比增大/减小实现输出电压的增大/减小。

2.2.4 FPGA+DAC反馈控制电路

本文设计的稳压电源仅为空间站某科学实验模块电控项目的一部分，FPGA除控制DAC外还需实现较多其他功能，因此选用MicroChip公司ProASIC 3系列资源丰富的A3P1000；DAC芯片则选用ADI公司的双通道数模转换器AD5689，可同时实现对两路稳压电源的反馈控制。通常情况下，开关电源要想输出稳定的电压，需要反馈网络、误差放大器和PWM控制器三者需要实现控制闭环[1]。可以通过调节输出电压与FB节点电压的关系来实现开关电源系统的稳态，也可以通过改变基准电压或者调整PWM占空比来实现稳态。本文通过引入如图4所示的FPGA和DAC来改变输出电压与FB节点电压的固定关系，从而根据实时系统需求，实现动态调整输出电压。

图4的反馈电路由3个反馈电阻对DAC输出电压VDAC和稳压输出VOUT进行分压调节实现，假设已知图中RFB1、RFB2、RFB3和DAC输出电压VDAC，开关电源处于稳定输出状态，由基尔霍夫电流定律可知：

综合以上几个公式可得：

由上式可以看出，当VDAC最大时，对应VOUT输出电压最小，当VDAC最小时，对应VOUT输出电压达到最大。注意上述器件的误差来源有DAC满量程电压误差、微分误差、积分误差和温度系数。为了保证所需电压范围，在设计时需要考虑最恶劣情况，从而选取合适的值。

2.2.5 硬件设计关键点

由于设计的稳压电源输出电压范围宽、功率大，电路或PCB设计稍有不当，使用中就会出现MOSFET开关或LTC3779芯片烧毁的情况，因此在硬件设计中须严格按照数据手册的要求进行。根据实际的调试情况，除了要遵守手册PC Board Layout Checklist一节给出的7条要求外，尤其要考虑芯片的散热问题，具体需要注意的关键点如下：

1） 印制板Layout关键信号的布线对系统存在影响，建议在Top层放置元器件以及大电流布线，第二层作为GND层不进行布线，确保有个完整的地层进行大电流瞬变信号和小电压控制信号的隔离。

2） 在大功率应用时，建议使用双MOS管并联，防止升降压转换过程中电流太大造成发热等问题。

3） 为更好的散热应适当增加PCB覆铜厚度和板厚，建议外侧平面使用2oz、内侧平面使用1oz覆铜厚度，PCB使用2mm板厚；同时结构壳体设计时也要充分考虑导热和散热措施。

4） 选择高驱动能力的DAC器件，本文的设计方案使用AD5689，驱动电流可以高达20mA。

3 FPGA控制程序设计

FPGA通过串口接收上位机发送的控制指令，并根据指令进行DAC输出电压调节以及LTC3779输出使能控制等操作。FPGA控制程序主要包含串口UART接收模块和AD5689配置模块，其中UART接收模块为通用模块本文不做过多说明，主要对AD5689配置模块的设计进行说明。

根据AD5689芯片手册，采用4线制SPI对其进行寄存器配置，实现芯片的休眠/唤醒、输出电压设置等，寄存器设置值的更新装载则通过LDAC引脚控制。配置时每个寄存器的长度为24bit，包含4bit命令位、4bit地址位和16bit数据位。AD5689的配置模块采用有限状态机实现，AD5689配置的状态转移图如图5所示。

由状态转移图可以看出该状态机共划分为6个状态，每个状态下完成的操作及状态相互之间的转移条件说明如表1所示。

上述对AD5689的配置用Verilog HDL语言实验，并在FPGA中进行了验证，配置和回读比对均正确，且DAC输出电压也与设置值一致。

4 测试结果

在稳压电源的硬件电路板及FPGA控制程序研制完成后，利用标准仪器对设计的稳压电源进行了测试。测试条件：RFB1=620k，RFB2=33k，RFB3=10k，VIN=48V，VVREF=1.2V，VRUN=3.3V。测试结果如下表所示：

上述测试结果可以看出，控制DAC的输出电压较为准确，最终输出电压符合5～95V的设计要求。但由于反馈电阻的阻值误差等原因，输出电压与理论计算电压存在一定的偏差，本项目电源输出控制的是控温加热元件对电压偏差要求不高，完全满足实际应用。同时，对该电源控制的步进精度以及输出功率也进行了测试，测试结果表明能够对输出电压实现mV级别的控制精度，控制精度较高，输出驱动负载的功率超过100W，适用于大功率应用场合。

5 结语

本文设计的稳压电源输出电压可调范围宽、功率大，有较高的控制精度，已成功应用在实际项目中且工作稳定。后续可增加ADC对输出电压VOUT进行采样并根据采样值对DAC的输出电压VDAC进行实时闭环调整，可解决输出电压偏差的问题，以满足更多场景的使用需求。

参考文献

[1] [韩]崔秉周（Byungcho Choi）.脉宽调制DC-DC功率变换——电路、动态特性与控制设计[M].雷鑑铭，汪少卿，等，译.北京：机械工业出版社，2018.8

[2] 王增刚，苏淑靖，贾成伟.宽范围可调稳压电源的设计[J].自动化与仪表，2010，25（02）：54-57

[3] Analog Devices， “150V VIN and VOUT Synchronous 4-Switch Buck-Boost Controller”， LTC3779 datasheet， Apr. 2018[Rev.A].

[4] Analog Devices， “Dual， 16-/12-Bit nanoDAC+ with SPI Interface”， AD5689/AD5687 datasheet， Jul. 2017[Rev.B].