基于DPA-Switch的四路输出开关电源设计.docx

　　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，要根据转换器的最大输出功率、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, 其最大输出功率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。
　　利用最大占空比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, 最大磁感应强度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
　　在最大输入电压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 为最大负载电流的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 , 最高反向工作电压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( 5 V、0.14A、0.7 W) 选取MBR745, 额定工作电流7.5 A, 最高反向工作电压为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, 最高反向工作电压为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。