基于DPA—Switch的小功率四路输出开关电源设计

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基于ＤＰＡ—Ｓｗｉｔｃｈ的小功率四路输出开关电源设计　

●新特器件应用　

—４９一　

基于ＤＰＡ—Ｓｗｉｔｃｈ的小功率四路输出开关电源设计　

蓝宏，胡广艳，张立伟，叶斌　

（北京交通大学电气工程学院，北京１０００４４）　

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。利用该系列器件设　

计一种小功率四路输出的单端正激式开关电源，给出了简化设计步骤和参数计算。　

关键词：ＤＰＡ４２５Ｒ；ＤＰＡ—Ｓｗｉｔｃｈ；单端正激；高频变压器；同步整流　

文献标识码：Ｂ　文章编号：１００６—６９７７（２００７）Ｏ１—００４９—０４　中图分类号：ＴＮ８６　

Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｌｏｗｅｒ　ｐｏｗｅｒ　ｆｏｕｒ－ｏｕｔｐｕｔ　ＳＭＰＳ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＤＰＡ－Ｓｗｉｔｃｈ　

ＬＡＮ　Ｈｏｎｇ，ＨＵ　Ｇｕａｎｇ—ｙａｎ，ＺＨＡＮＧ　Ｌｉ－ｗｅｉ，ＹＥ　Ｂｉｎ　

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｅｉｊｉｎｇＪｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｗｅ￣ｉｔｙ，Ｂｅ￣ｌ＇ｉｎｇ　１０００４４，Ｏｈ／ｈａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＤＰＡ—Ｓｗｉｔｃｈ　ｓｅｒｉｅｓ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ＴＯＰ　ｓｗｉｔｃｈ　ａｎｄ　Ｔｉｎｙ　ｓｗｉｔｃｈ，ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ＰＷＭ　ａｎｄ　

ＰＳＭ　ｔｏ　ｒｅｇｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｖｏｌｔａｇｅ，ａｎｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｌｏｗ　ｃｏｓｔ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ａ　ｌｏｗｅｒ　

ｐｏｗｅｒ　ｆｏｕｒ　ｏｕｔｐｕｔ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｍｏｄｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ（ＳＭＰＳ）ｃｉｒｃｕｉｔ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＤＰＡ—Ｓｗｉｔｃｈ　ｓｅ－　

ｉｔｅｓ．　Ｓｉｍｐｌｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｓｔｅｐｓ　ａｎｄ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｐｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ａｒｅ　ｇｉｖｅｎ．Ｒｅｌｉａｂｌｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｎｄ　ｓｔｂｌａｅ　

ｏｕｔｐｕｔ：ｉｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＤＰＡ４２５Ｒ；ＤＰＡ—Ｓｗｉｔｃｈ；ｏｎｅ－ｐｏ￣ｆｏｒｗａｒｄ；ｈｉｇｈ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｔｒｎｓｆａｏｒｍｅｒ；ｓｙｎｃ　ｒｅｃｔｉｉｆｃａｔｉｏｎ　

１　引言　

单片开关电源集成电路具有高集成度、高性价　

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、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　

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。　

上电时，漏极端（ＤＲＡＩＮ）通过内部高压电流源　

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。　

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（ＬＩＮＥ—　

ＳＥＮＣＥ）为过压ＯＶ、欠压ＵＶ锁定输入引脚。用于同　

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　

步和开，关控制。限流端（ＥＸＴＥＲＮＡＬ　ＣＵＲＲＥＮＴ　

ＬＩＭＩＴ）控制限流点和开／关功能。源极端（ＳＯＵＲＣＥ）　

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　

作为电源参考点。选频端（ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ）选择３００　

ｋＨｚ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　

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　电流源关闭，此时由反馈控制电流向Ｖｃ供电。在正　

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一

５０－　《国外电子元器￣＇）２００７＃－ｇ　１期　２００７年１月　

图１　ＤＰＡ—Ｓｗｉｔｃｈ内部功能模块框图　

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　

１００　ｍＡ。总输出功率大于４０　Ｗ。图３是典型ＤＰＡ—　

Ｓｗｉｔｃｈ单端正激式开关电源电路。　

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；　

Ｖ　

Ｏ　

（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　

①・＠：　＠　－＠・　④　

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ＤＰＡ—　

Ｓｗｉｔｃｈ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。　

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　３．２电路结构设计　

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ｌ５　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。　

ＰＩ　Ｅｘｐｅｒｔ电源设计软件是ｌＰＩ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　

开关电源技术指标：输入直流电压范围为ｌ８　

Ｖ～４０　Ｖ；四路输出设计：主输出ｌ５　Ｖ，输出电流２．３３　

Ａ。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ｌ５　Ｖ和一１５Ｖ．每一路的输出电流为　

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。　

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基于ＤＰＡ—Ｓｗｉｔｃｈ的小功率四路输出开关电源设计　一５ｌ—　

ＰＲ１４×８　

Ｖｉｎ　

箝位　［　

ｌ　８Ｖ～４０Ｖ　

ｒ。一＇　

Ｄｃ　

ＵＶ／ＯＶ　

Ｉ１ｉｍ　扼流圈耦　

图４主输出系统电路框图　

开关电源采用同步整流和正激变换，使得对　器设计可按照如上步骤计算。　

低压大电流的整流效率得到显著提高。当输入电　注意：在选择绕组线径时，必须考虑趋肤效应和　

压为２４　Ｖ时，电源效率经ＰＩ　Ｅｘｐｅｒｔ分析大于　临近效应。绕线长度应尽可能的短，否则绕组本身　

９０％，选择开关频率３００　ｋＨｚ，主输出系统电路如　的阻性损耗将不可忽略。为减小损耗，应尽可能减　

图４所示。　小变压器的漏感，推荐初级绕组和次级绕组采用间　

３．３高频变压器设计　绕方式。另外，绕制变压器时无需留气隙。　

高频变压器设计是电源设计的关键，可利用ＰＩ　３．４输出电感的选取　

Ｅｘｐｅｒｔ专用软件实现。　在最大输入电压Ｖ　＾】（下确定输出电感，以保证　

利用最大占空比Ｄｓ

上　

ａｘ＝７０％计算直流侧原边和　电流连续性。假设电感峰一峰值纹波电流△厂为最大　

主输出次边变压器变比：　负载电流的ｌ５％一２０％。　

老／１，。（Ｉ＝　ＶＭ　Ｎ一　）　ＤＭＡＸＲ　（１）　

［（Ｖｍ

ｘ－Ｖ　Ｄｓ）ｎｓ　－Ｖ

Ｄ　－Ｖｏ

．

）］Ｄｍ，ｘＶｍＮ

一　

：—

—

△Ｉ　

一

（４）’　　

其中，　。为输出整流器件的正向压降；Ｖ。为主　

输出电压ｌ５　Ｖ；　Ｄ６为ＤＰＡ—Ｓｗｉｔｃｈ的漏源电压降，　

计算出　０＝１２１．５８　ｗＨ。　

取ｌ　Ｖ：Ｒ是考虑各种杂散损耗因素后的综合系数，　

３．５　ＤＰＡ－Ｓｗｉｔｃｈ外围电路设计　

取０．９５。计算出匝比是１．５７。　

开关电源原理如图５所示。由Ｃｌ、ｃ２、　ｌ组成　

计算出变压器次级匝数，再估算初级匝数，使　

输入ＥＭＩ滤波部分。为防止ＤＰＡ—Ｓｗｉｔｃｈ内部开关　

变压器磁芯ＢＭ工作在１０００　Ｇｓ。１５００　Ｇｓ范围，从而　管漏极电压受初级漏感电流的影响而超出其额定　

减小交流磁通密度对磁芯损耗的影响。　

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　

ａｓ￣　

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。　一　

其中，Ａ。为变压器磁芯有效面积。一般磁芯输　

３．６多路输出电路设计　

出功率和磁芯面积的经验公式：　主输出采用同步整流电路．使用无源的ＲＣ电　

Ａ。＝０．１５￣／ＪＰ　（３）　

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　

为高频变压器输入输出平均值。通过对常用　额定工作电流７．５　Ａ，最高反向工作电压３５　Ｖ。ｃ６　

磁芯的特点比较，同时考虑漏磁、散热、功率等相关　通过Ｒ５对开关管充电，ＶＲ２限制开关管门极正向　

因素，选用铁氧体ＥＩ２８型磁芯，Ａ　＝１．２１ｒａｍ　，最大磁　

电压，在其关断时，通过Ｃ６释放能量。Ｒ６保证在　

感应强度Ｂｓ＝４ＯＯＯｘ１０－＇ｑ＇。　无开关信号下，开关管始终保持关断。ＳＬＩ３保证变　

根据式（１）和（２）可知，ｎｐ　４，ｎ。　６。其他路变压　

压器重置。　．　

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５２一　《国外电子元器件＞２ｏｏ７年第１期　２００７年１月　

蓝宏图５　

图５。开关电源原理　

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　

术的开关电源模块，系统原理电路图如图５所示。　

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　

５　结束语　

本文采用ＤＰＡ—Ｓｗｉｔｃｈ设计ＤＣ，ＤＣ正激转换　

低耐压值的２倍。因此，辅助输出：Ｖ０２（５　Ｖ、０．１４　

Ａ、０．７　Ｗ）选取ＭＢＲ７４５，额定工作电流７．５　Ａ，最　

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　

高反向工作电压为４５　Ｖ；Ｖ０３（１５　Ｖ、Ｏ．１４　Ａ、２．１　

Ｗ）和Ｖ０４（一１５　Ｖ、０．１４　Ａ、２．１　Ｗ）选取ＵＦ４００４，额　

定工作电流为ｌ　Ａ，最高反向工作电压为４００　Ｖ。　

３．７光耦反馈电路设计　

叭　¨　小　

反馈回路的稳定性直接影响着开关电源的性　

要求。　

参考文献：　

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　Ｖｏ　

【ｌ】沙占友．单片开关电源最新应用技术【Ｍ】．北京：　

机械工业出版社。２ｏｏ２：２—３．　

【２】Ｐｏｗｅｒ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｓ．ＤＰＡ－Ｓｗｉｔｃｈ　ＤＣ－ＤＣ　Ｆｏｒｗａｒｄ　

Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｇｕｉｄｅ［ＤＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｄｉｗｅｂ．　

ｃｏｍ／ｐｏｗｅｒｉｎｔ／ａｎ３　１．ｐｄｆ，２００２．　

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，ｒＩ　３ｌ高频增益。光耦通过Ｒ７与输出连接，Ｒ７　

【３】Ｐｏｗｅｒ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｓ．ＤＰＡ４２３－４２６　Ｄａｔａ　Ｓｈｅｅｔ［ＤＢ／　

ＯＥ１．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ。ｐｏｗｅｒｉｎｔ．ｃｏｍ／ＰＤＦ　Ｆｉｌｅｓ／ｄｔｍ　４２３－　

４２６．ｐ血２ｏｏ５．　

确定反馈电路增益。Ｒ１ｌ、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。　

『４１黄先进．基于ＴＯＰＳ　ｔｃｈｌＩ的小功率五路输出开关　

电源设计【Ｊ】．通信电源技术，２００４（１０）：２２—２５．　

作者简介：蓝宏（１９８２一），男，硕士研究生，研究方向　

为电机和电器。　

４应用实例　

根据￣２＿１５　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　

收稿日期：２００６－－０８，２１　

咨询编号：０７０１１２