基于DPA-Switch的四路输出开关电源设计

1、Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse1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。2DPA-Switch单片开关电源Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuseDPA-Switch系列定位于低功率的DC/DC应用领域，集成了200V功率M

2、OSFETF口低压控制电路。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、5.8V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MOSFE偌模块构成。Forpersonaluseonlyinstudyandr

3、esearch;notforcommercialuseMIDI LHIK0-，卜亚祠; T用卜帆轴帝MtI- idl 图1DPA-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16V75V.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（EXTERNALCURRENTLIMIT才空制限流点和开/关功能。源极端（SOURCE）（乍为电源参考点。选频端（FREQUENCY）选择300kHz或400kHz工作频率

4、。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达至I5.8V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勺占空比以实现稳压。当控制端电压低于4.8V时，MOSFE俣闭，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4.8V5.8V.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3IGBT变频器用开关电源设计本电源是

5、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15V用于驱动电路，±15V用于检测及模拟回路，5V用于接口电路。开关电源技术指标：输入直流电压范围为18V40V;四路输出设计：主输出15V,输出电流2.33A,功率35W;其他辅助输出：5V隔离输出，隔离输出2路共地的15V和-15V,每一路的输出电流为100mA,总输出功率大于40W.图3是典型DPASwitch单端正激式开关电源电路。1.1 器件选取实际应用中选用何种型号的DPA-Switch器件，要根据转换器的最大输出功率、效率、散热以及

6、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,其最大输出功率70W,在输出功率50W时，功耗为2.5W.1.2 电路结构设计PIExpert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。PIExpert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PIExpert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

7、为24V时，电源效率经PIExpert分析大于90%,选择开关频率300kHz,主输出系统电路如图4所示。图4主输出系统电路框图1.3 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专用软件实现利用最大占空比DMAX=70%算直流侧原边和主输出次边变压器变比:(1)其中，VD为输出整流器件的正向压降；VO为主输出电压15V;VDS为DPA-Switch的漏源电压降,取1V;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1000Gs1500Gs范围，从而减小交流磁通密度对磁芯损耗的影响。其

8、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,最大磁感应强度BS=400（X10-4T.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。1.4 输出电感的选取在最大输入电压VMAX下确定输出

9、电感，以保证电流连续性。假设电感峰-峰值纹波电流f为最大负载电流的15%20%.(4)计算出LO=121.58gH.1.5 DPA-Switch外围电路设计开关电源原理如图5所示。由C«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24V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CONTRO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。旧0W-评书町.以图5开关电源原理1.6 多路输出电路设计主输出采

10、用同步整流电路，使用无源的RC电路驱动MOSFE磴流管，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7.5A,最高反向工作电压35V.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最大输出电流的3倍；最高反向工作电压必须高于所规定的最低耐压值的2倍。因此，辅助输出：V02（5V、0.14A、0.7W）选取MBR745,额定工彳电流7.

11、5A,最高反向工作电压为45V;V03(15V、0.14A、2.1W)和V04(-15V、0.14A、2.1W)选取UF4004,额定工作电流为1A,最高反向工作电压为400V.1.7 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70V.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、C&BAV19W

12、Si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PIExpert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40W左右即可。随着PIExpert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。仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse.Nurfurdenpers?nlichenfurStudien,Forschung,zukommerziellenZweckenverwendetwerden.Po