基于DPASwitch的反激式开关电源的设计

1、研 究 生 课 程 论 文(2013-2014学年第一学期)基于DPA-Switch的反激式开关电源设计研究生： 汪玉明提交日期： 2014年2月 20日 研究生签名： 学 号201321013193学 院自动化科学与工程学院课程编号Z0811026课程名称电力电子课程实践学位类别硕士任课教师王孝洪教师评语： 成绩评定： 分 任课教师签名： 年 月 日 基于DPA-Switch的反激式开关电源设计 摘要 十多年来，分布式电源架构(DPA)已被广泛应用， 而且在高密度电源模块出来以后，它的优点更能充份的发挥。在工控，军工及医疗仪器方面都得到了充分的利用。分布式电源结构已成为电源的主流架构。DPA

2、-Switch是新一代的高集成度、高压DC-DC转化芯片,其电路简单,不仅具有分立元器件开关电源极为灵活的优势,而且可以提高DC-DC变换器的可靠性,并能降低成本。本文介绍了该系列集成控制器的原理及其在DC-DC反激变换器中的应用,并设计了一个单端反激式多路输出开关电源,简要介绍了变压器的绕制。实验结果表明该电源运行可靠,输出稳定。关键词 DPA-Switch；单端反激；DC-DC变换器；多路输出第一章 DPA整体原理简介分布式电源是非集中的电源结构，通常是由一个在AC市电端的AC-DC转换器构成，给放在别处的DC-DC转换器供电。该AC-DC转换器提供一个中转总线电压，通常为48V，以及稳压

3、、隔离、噪声消除和功率因素校正等功能。图1-1 分布式电源结构图该中转电压由靠近负载端的DC-DC转换器传给负载。一般在通信系统中是在48V总线上分布功率，板上的隔离式DC-DC转换器匹配负载的需要。这有助于动态响应及去除系统上的分布电压等问题。分布式手段能分散系统热能，大大减少或去除所需的散热器或高速风流。整体系统温度保持均散平稳，较易符合可靠性指标。DPA开关电源系列为PI公司生产的专用于电信部门配电系统的高集成度DC-DC变换器。根据各国现有电信系统供电标准大多为24V、48V和64V，因此该变换器输入电压设定为16-75V直流电压。DPA系列的应用特点如下: PoE应用、VoIP电话、

4、WLAN、及安全用摄像头； 电信中央办公设备：xDSL、ISDN、PABX； 功率配电（24 V/48 V总线）； 工业控制。DPA-Switch与TOPSwitch®使用了相同的拓扑结构，将功率MOSFET、PWM控制器、故障保护及其它控制电路高效集成在一个单片CMOS芯片上。使用者可以通过对三个引脚不同的配置实现高性能的设计，它同时还具备迟滞热关断的保护特性。此外，所有关键参数（比如限流点、频率、PWM增益）都具有严格的温度及绝对容差，从而简化了设计并降低了系统成本。DPA423-426功能框图的描述：图1-2 功能结构框图主要包括200V的高频功率MOSFET、PWM控制器、高

5、频振荡器、高压启动偏置电路、基准电压、误差放大器、用于环路补偿的并联偏置调整器以及各种保护电路等引脚功能描述漏极(D)引脚：高压功率MOSFET的漏极输出点。此引脚经过一个开关的高压电流源给芯片内部提供开机偏置电流。同时该引脚也是漏极电流的限流点检测点。控制(C)引脚：误差放大器及用来控制占空比的反馈电流的输入引脚。内部分流稳压电路连接节点。在正常工作时提供内部偏置电流。同时，它也用来连接供电去耦及自动重启动补偿的电容。线电压检测(L)引脚：过压(OV)、欠压（UV）锁存、降低DCMAX的线电压前馈、远程开关和同步时使用的输入引脚。连接至源极引脚则禁用此引脚的所有功能。外部流限设定(X)引脚：

6、外部流限调节和远程开关控制引脚。连接至源极引脚则禁用此引脚的所有功能。频率(F)引脚：选择开关频率的输入引脚：如果连接到源极引脚则开关频率为400 kHz，连接到控制引脚则开关频率为300 kHz。源极(S)引脚：此引脚是输出MOSFET的源极连接点，用于功率返回端。它也是初级控制电路的公共点及参考点。第二章 DPA-Switch 反激式开关电源设计2.1 DPA-Switch单端反激式开关电源电路传统的单端反激式开关电源一般由PWM控制芯片(如UC3843)和功率开关管(如MOSFET)组成,电路的控制环路设计复杂,容易造成系统工作不稳定。随着PI公司生产的DPA-Switch为代表的新一代

7、单片开关电源的问世,以上诸多问题都得到了很好的解决。图1-3是典型的DPA-Switch单端反激式开关电源电路。根据电路的要求可选择不同的反馈电路,其中变压器具有能量存储、原副边隔离和电压转换三种作用。图1-3 典型的DPA-Switch单端反激式开关电源电路2.2 开关电源设计本设计是为IGBT的驱动电路提供电源。开关电源的技术指标：输入电压24V(18V30V)。多路输出：其中一路输出5V/0.5A,用来给驱动板上的逻辑器件供电；一路输出+15V/0.1A、-9V/0.1A，用来给下桥臂的两个IGBT供电；两路输出+15V/0.05A、-9V/0.05A，分别用来给上桥臂的两个IGBT供电

8、,输出功率7.3W。要求整个电路结构简单、工作可靠。图1-4为此开关电源的主电路图。图1-4 开关电源主电路图2.3 芯片和电路结构选择根据开关电源的输出功率,参照芯片的最大输出功率、散热等因素,本设计选择DPA424GN,其最大输出功率11W。电路结构选用反激式拓扑结构,开关频率选择400kHz。稳压管D1箝位漏极电压,保护DPA-Switch芯片内的MOSFET,实验中D1选取SMBJ150A,C1、R1作为漏极的吸收电路。R2为输入电压检测电阻,设定输入欠/过压,使最大占空比随输入电压线性减小,防止在瞬态负载时磁芯出现饱和。旁路电容C2应接近用芯片的C脚,提供必要的峰值电流驱动DPA-S

9、witch芯片内的MOSFET,R3、C3提供环路补偿。偏置绕组的输出整流二极管选用1N4148,其他绕组输出整流二极管选用SB2100。反馈电路利用光耦PC817A和一个齐纳二极管1N4728A对输出电压5V进行反馈。通过对输出电压采样,使电源具有很好的稳压功能。2.4 反激变压器设计本设计中开关电源是一个具有多路输出的直流电源，由高频变压器多个二次绕组经整流滤波后获得，因此开关电源的性能在很大程度上取决于变压器的设计。由于在反激电源中，反激变压器主要承担储能的作用,所以在设计中特别关注原边电感量这个重要参数。由于输出多路所需变压器的管腿较多，故采用了ER28的变压器磁芯,而没有用计算出的E

10、FD20磁芯。变压器原边电感量为50.5LH，原边匝数12匝，副边匝数：5匝(5V)、11匝(15V)、8匝(-9V),偏置绕组匝数10匝。在变压器的绕制中应该注意两点：(1)将变压器的原边绕组放在骨架的最内层,可减少原边线圈的平均每匝长度,从而减少原边绕组的杂散电容。同时,由于原边绕组在变压器的最内层，可以被变压器的其它绕组所屏蔽,从而减少变压器与其它邻近元件的噪声耦合。(2)将辅助供电绕组放在变压器的最外层,可增强该绕组与其它副边绕组的耦合而减弱与原边绕组的耦合。由于增强了与副边绕组的耦合,辅助供电绕组上的电压可以更准确地跟随输出电压变化。同时由于减弱了与原边绕组的耦合,可减少由于初级漏感

11、尖峰而引起的偏置绕组电压尖峰。这两方面都增强了输出电压调节性能。第三章 实验结果根据以上设计,试制了一个基于DPA424GN的单端反激式多路输出开关电源,实验结果如下。在搭好实验电路后,断开芯片控制端的反馈电路,进行自动重启实验。图1-5为自动重启实验波形,通道1为控制端电压波形,通道2为漏极电压波形。图1-5 自动重启实验波形从图中可以看出,控制端电压UC保持在4.8V5.8V之间,这是由于外部电流无法流入控制端,芯片内部带迟滞的电源欠压比较器通过使高压电流源通断来保持UC值处在4.8V到5.8V的区域内所形成的。这种充放电过程经过8个周期后芯片将重启一次,通过将自动重启动的占空比减到典型值

12、4%,可有效地限制DPA-Switch芯片的功耗。自动重启动模式将不断循环工作直到输出电压稳压,并通过闭合反馈环路重新进入受控状态为止。图1-6为上电启动后正常工作过程的波形,通道3为控制端电压波形,通道4为漏极电压波形。图1-6上电启动后正常工作过程波形图1-7为输出5V电压波形,图7为其中一路+15V,-9V电压波形,通道5为+15V电压波形,通道6为-9V电压波形。实验结果表明输出电压纹波在10%以内,满足设计要求。图1-7 输出5V电压波形 结 论本实验设计过程中对DPA系列芯片有了了解，特别是对其工作原理进行深入的分析。然后再结合设计电路，运用芯片的功能。实验电路简化了复杂的控制和保

13、护电路,提高了可靠性和电磁兼容能力。采用DPA-Switch系列芯片进行开关电源设计具有周期短、成本低等特点。 本次课程论文的提交意味着一学期的电力电子设计课程的结束。这里特别感谢王孝洪老师一学期的精彩教授和悉心指导，让我明确了研究方向。还要感谢我的室友们，也在学习的过程中给我很大的帮助和鼓励，黎志伟、张亮。 参考文献 1 倪海东,高峰.DPA-Switch系列集成控制器在小功率DC-DC变换器中的应用2 PowerIntegrations,Ine.DesignExampleReport20.3 PowerInterrations,Inc.DesignIdea52.4 王 正,朱兴动,张六弢.UC3843控制多路输出开关电源设计与实现