基于DPA-Switch的四路输出开关电源设计

出处：elecsound 发布于：2012-08-17 11:03:06

　　摘要： DPA- Switch 系列器件具有TOP 和Tiny 系列的技术特点，采用脉宽调制（PWM）和跳周期调制（PSM）相结合的新型调制方式来调节输出电压，并具有低功耗和高效率等优点。本文提出了基于该器件小功率四路输出的单端正激式开关电源设计方案，给出了简化设计步骤和参数计算。

　　1 引言

　　单片开关电源集成电路具有高集成度、高性价比、外围电路简单等特点，可构成高效率、无工频变压器的隔离式开关电源。单片开关电源在成本上与同等功率的线性稳压电源相当，但其功率显著提高，体积和重量减小近一半，具有良好的应用前景。目前已有十大系列，100 多种型号的产品。

　　2 DPA- Switch 单片开关电源

　　DPA- Switch 系列定位于低功率的DC/DC 应用领域，集成了200 V 功率MOSFET 和低压控制电路。该系列器件除了具有传统DC/DC 转换器的过温保护、电流限制、前沿消隐、脉宽调制等功能外，还包含外部可编程电流限制调节、外部同步、远程通断等多种功能。DPA- Switch 系列将多种功能集成于同一引脚，可使设计的外围元件数比典型分立DC/DC 转换器减少近50 个，同时各种功能又互不影响。

　　图1 是DPA- Switch 系列器件内部功能框图，主要由高压电流源、5.8 V 并联调整器、软启动电路、内部欠压比较器、电流限制调整电路、电流限制比较器、输入线欠压和过压检测电路、振荡器、过温保护电路、前沿消隐、功率MOSFET 等模块构成。

图1 DPA- Switch 内部功能模块框图

　　上电时，漏极端（DRAIN）通过内部高压电流源提供内部偏置电流使系统启动，其工作电压范围为16 V~75 V.控制端（CONTROL）通过控制电流来改变DPA- Switch 的占空比。电压检测端（ LINESENCE）为过压OV、欠压UV 锁定输入引脚，用于同步和开/关控制。限流端（ EXTERNAL CURRENTLIMIT）控制限流点和开/关功能。源极端（ SOURCE）作为电源参考点。选频端（ FREQUENCY）选择300kHz 或400 kHz 工作频率。

　　通过控制端外接电容的充电过程实现电路的软启动。当控制端电压Vc 达到5.8 V 时，内部高压电流源关闭，此时由反馈控制电流向Vc 供电。在正常工作模式下，由外界电路构成电压负反馈控制环，调节输出级MOSFET 的占空比以实现稳压。当控制端电压低于4.8 V 时，MOSFET 关闭，控制电路处于小电流等待状态，内部高压电流源重新接通并向Vc 充电，其关断/自动复位滞回比较器可使Vc保持在4.8 V~5.8 V.图2 是其典型电压波形，各段含义如下：（ 1）电源启动；（ 2）正常工作；（ 3）自启动；（ 4）电源关闭。在自动重启期间，占空比控制在4 %左右可有效地限制器件功耗。

图2 典型电压波形

　　3 IGBT 变频器用开关电源设计

　　本电源是为应用在驱动异步电机的IGBT 变频器环境而设计的控制电源，其输入电压取自变频器主回路直流母线电容电压，输出为多路独立直流电压。其中，主输出15 V 用于驱动电路，±15 V 用于检测及模拟回路，5 V 用于接口电路。

　　开关电源技术指标：输入直流电压范围为18V~40 V; 四路输出设计：主输出15 V, 输出电流2.33A, 功率35 W; 其他辅助输出： 5 V 隔离输出，隔离输出2 路共地的15 V 和- 15V, 每一路的输出电流为100 mA, 总输出功率大于40 W.图3 是典型DPASwitch单端正激式开关电源电路。

图3 典型DPA- Switch 单端正激式开关电源电路

　　3.1 器件选取

　　实际应用中选用何种型号的DPA- Switch 器件，要根据转换器的输出功率、效率、散热以及成本等因素综合考虑。简便的方法是借助DPASwitch输出功率和耗散功率关系表。本设计选择DPA425R, 其输出功率70 W, 在输出功率50 W时，功耗为2.5 W.

　　3.2 电路结构设计

　　PI Expert 电源设计软件是PI 公司开发的一种交互式软件，可以针对相关的硬件，按照用户提出的电源规范产生具体能量转换方案。PI Expert 可提供一种直观、分步的设计界面，用户可分别设定变压器、输入电容参数和所用器件。

　　利用PI Expert 软件开发平台，可以方便地选择开关电源电路拓扑、器件系列、器件封装、工作频率以及其他相关特性参数。

　　开关电源采用同步整流和正激变换，使得对低压大电流的整流效率得到显著提高。当输入电压为24 V 时，电源效率经PI Expert 分析大于90%, 选择开关频率300 kHz, 主输出系统电路如图4 所示。

图4 主输出系统电路框图

　　3.3 高频变压器设计

　　高频变压器设计是电源设计的关键，可利用PIExpert 专用软件实现。

　　利用占空比DMAX=70%计算直流侧原边和主输出次边变压器变比：

　　其中，VD 为输出整流器件的正向压降； VO 为主输出电压15 V; VDS 为DPA- Switch 的漏源电压降，取1 V; R 是考虑各种杂散损耗因素后的综合系数，取0.95, 计算出匝比是1.57.

　　计算出变压器次级匝数，再估算初级匝数，使变压器磁芯BM 工作在1000 Gs~1500 Gs 范围，从而减小交流磁通密度对磁芯损耗的影响。

　　其中，Ae 为变压器磁芯有效面积。一般磁芯输出功率和磁芯面积的经验公式：

　　Pt 为高频变压器输入输出平均值。通过对常用磁芯的特点比较，同时考虑漏磁、散热、功率等相关因素，选用铁氧体EI28 型磁芯，Ae=1.21mm2, 磁感应强度BS=4000×10- 4T.

　　根据式（ 1）和（ 2）可知，np≈4, ns≈6.其他路变压器设计可按照如上步骤计算。

　　注意：在选择绕组线径时，必须考虑趋肤效应和临近效应。绕线长度应尽可能的短，否则绕组本身的阻性损耗将不可忽略。为减小损耗，应尽可能减小变压器的漏感，推荐初级绕组和次级绕组采用间绕方式。另外，绕制变压器时无需留气隙。

　　3.4 输出电感的选取

　　在输入电压VMAX 下确定输出电感，以保证电流连续性。假设电感峰- 峰值纹波电流△f 为负载电流的15%~20%.

　　计算出LO=121.58 μH.

　　3.5 DPA- Switch 外围电路设计

　　开关电源原理如图5 所示。由C1、C2、L1 组成输入EMI 滤波部分。为防止DPA- Switch 内部开关管漏极电压受初级漏感电流的影响而超出其额定值，在初级侧增加箝位网络，选SMBJ150 起到24 V限压作用。R1 设置器件的起始电压，R2 用于器件限流。C4 吸收纹波，与DPA- Switch 的CONTROL 引脚相连的R3 和C4 一起构成了反馈环路的补偿网络。D1、C5 调整过滤偏压。

图5 开关电源原理

　　3.6 多路输出电路设计

　　主输出采用同步整流电路，使用无源的RC 电路驱动MOSFET 整流管，可以避免栅极过电压的情况。同步整流管采用SI4804 型功率MOSFET, 其额定工作电流7.5 A , 反向工作电压35 V.C6通过R5 对开关管充电，VR2 限制开关管门极正向电压，在其关断时，通过C6 释放能量。R6 保证在无开关信号下，开关管始终保持关断。SL13 保证变压器重置。

　　鉴于开关频率高，采用超快速恢复二极管作为阻塞二极管、输出整流管和反馈电路的整流管。选取原则：额定工作电流至少是该路输出电流的3 倍；反向工作电压必须高于所规定的耐压值的2 倍。因此，辅助输出： V02（ 5 V、0.14A、0.7 W）选取MBR745, 额定工作电流7.5 A, 反向工作电压为45 V; V03 （ 15 V、0.14 A、2.1W）和V04（ - 15 V、0.14 A、2.1 W）选取UF4004, 额定工作电流为1 A, 反向工作电压为400 V.

　　3.7 光耦反馈电路设计反馈回路的稳定性直接影响着开关电源的性能。光耦合器应提供给控制端足够的电流，电流传输比（CTR）允许范围是50%~200%, 故选择线性光耦CNY17- 3, 其CTR 为100%~200%, 反向激穿电压70 V.

　　反馈电路采用配TL431 的精密光耦反馈电路。

　　R8 和R9 感应输出电压，并将信号传给TL431, C7减少TL431 高频增益。光耦通过R7 与输出连接，R7确定反馈电路增益。R11、C8、BAV19WS 用于启动时消抖。

　　在辅助输出采用稳压管（如7805） , 有助于提高输出电压线性度。

　　4 应用实例

　　根据以上PI Expert 电源软件设计和参数计算，设计了一个基于DPA425R 型控制电路和同步整流技术的开关电源模块，系统原理电路图如图5 所示。

　　5 结束语

　　本文采用DPA- Switch 设计DC/DC 正激转换器，简化了复杂的控制和保护电路，电网适应性强，工作范围宽，具有输出短路保护功能，模块体积小，可直接设计在电机驱动控制板上，调试维护方便，功率一般40 W左右即可。随着PI Expert 电源设计软件的广泛应用，可满足产品设计周期越来越短的要求。