基于DPA控制的單路輸出DC/DC變換器設(shè)計(jì)

聶丹鳳（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽　110032）

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基于DPA控制的單路輸出DC/DC變換器設(shè)計(jì)

聶丹鳳
（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032）

摘 要：介紹了一款基于DPA控制的單路輸出DC/DC變換器設(shè)計(jì)。該變換器的電氣指標(biāo)為輸出5V/10W，通過主要技術(shù)指標(biāo)要求，確定了設(shè)計(jì)參數(shù)，并采用PI公司生產(chǎn)的DPA425R作為主控芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)工作脈沖寬度的調(diào)節(jié)，該芯片將變換器主控制芯片與功率MOS開關(guān)集成于一身，具有體積小、功能強(qiáng)的特點(diǎn)，進(jìn)而設(shè)計(jì)出了結(jié)構(gòu)框圖和電路原理圖等。成功解決了DC/DC變換器由體積、質(zhì)量限制帶來的矛盾，在保證紋波噪聲、體積和重量等重要指標(biāo)均滿足要求的情況下仍具有較高的電源效率，并且具備了高穩(wěn)定、高可靠的品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：DC/DC變換器；DPA；單路輸出；電源效率；高穩(wěn)定；高可靠

1 引 言

國內(nèi)研制和生產(chǎn)DC/DC變換器的廠家數(shù)量不少，但大多數(shù)廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品品種較少，一般在幾十種至幾百種，與國外幾千種的系列產(chǎn)品無法相比。在技術(shù)性能方面，國產(chǎn)變換器與國外產(chǎn)品相比主要差距表現(xiàn)在功率密度低，效率低，輸入、輸出與外殼這三者之間的任意兩者隔離電壓較低，國產(chǎn)變換器僅在價(jià)格上略占優(yōu)勢(shì)，以低價(jià)戰(zhàn)略占領(lǐng)國內(nèi)市場(chǎng)［1］。隨著我國現(xiàn)代化水平的不斷提高，電子裝備制造領(lǐng)域?qū)Ω咝阅蹹C/DC變換器提出了更高要求，諸如高頻化、高功率密度、高可靠性、高效率，低噪聲、多品種等，特別是政府提出擴(kuò)大內(nèi)需投資，更為電子裝備的發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)，這也大大提高了高性能DC/DC變換器的市場(chǎng)需求量［2］。

2004年P(guān)I公司推出了DPA系列單片DC/DC電源變換器，全系列產(chǎn)品10種型號(hào)及多種封裝形式，具有價(jià)格低廉、性能優(yōu)良、設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)，能改善電源性能，降低成本，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，適用于分布式電源、網(wǎng)路供電設(shè)備及24/48V工業(yè)控制電源［3］。下面介紹一款基于DPA控制器的單端反激電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的單路輸出DC/DC變換器，其輸入輸出電壓、電流能力如表1所示。

表1 輸出電壓、電流和功率

2 電路設(shè)計(jì)方案和主要電氣性能指標(biāo)

電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是否合理直接影響變換器的輸出功率、輸出紋波、效率、穩(wěn)定性和可靠性等重要技術(shù)參數(shù)，當(dāng)變換器的要求給定后，通過分析和實(shí)驗(yàn)，依據(jù)用戶對(duì)電源性能的要求選定合理的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使變換器的性能達(dá)到最佳狀態(tài)。在電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)確定之后，還要對(duì)電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證變換器的反饋回路有足夠的相位裕度，形成一個(gè)穩(wěn)定的反饋環(huán)。在保證穩(wěn)定性的同時(shí)，還使電路具備良好的動(dòng)態(tài)性能及擁有良好的溫度穩(wěn)定性、負(fù)載調(diào)整率和電壓調(diào)整率［4］。該變換器采用單端反激電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其組成原理框圖如圖1所示，主要電氣性能指標(biāo)如表2所示。

圖1 變換器組成原理框圖

由圖1可知，輸入電壓經(jīng)過輸入濾波器，通過變壓器一次側(cè)將輸入能量耦合到二次側(cè)并整流和再次濾波后產(chǎn)生5V電壓輸出，從該輸出提取反饋信號(hào)與比較放大器內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓比較放大后再經(jīng)過光電隔離器和控制器DPA實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖寬度的調(diào)節(jié)，從而得到一個(gè)穩(wěn)定的輸出電壓。

表2 主要電氣性能指標(biāo)

①輸出為滿載，輸入電壓UI從18V變換到36V；②UI為24V，被測(cè)輸出從20%負(fù)載變換到滿載；③UI為24V，輸出滿載示波器20M帶寬限制；④輸入端與輸出端、外殼這三者中任意兩者之間施加500V電壓。

3 設(shè)計(jì)原理

變換器電路設(shè)計(jì)原理如圖2所示。本設(shè)計(jì)變壓器采用單端反激工作模式，總輸出功率約為12W，變壓器匝數(shù)比為N1：N2：N3 =16：13：6，一次側(cè)主輸入繞組N1的電感量約為28uH，漏感小于0.8uH。電路各部分功能如下，CI1、CI2和L1組成輸入濾波器，用于濾除供電母線帶來的干擾，同時(shí)阻止變換器自身產(chǎn)生的開關(guān)噪聲污染供電母線；主控芯片U1采用PI公司的DPA425R［5］，該芯片將變換器主控制芯片與功率MOS開關(guān)集成于一身，具有體積小、功能強(qiáng)的特點(diǎn)；R1和R4為U1限定了一次側(cè)最大輸入功率，該功能實(shí)際上也限定了變壓器二次側(cè)的總輸出功率；R3限定了U1的工作電壓范圍；D2和C5組成一次側(cè)輔助電源為U1供電；線性光電耦合器U2［6］將二次側(cè)的反饋控制信號(hào)經(jīng)過C4、R5和EI1組成濾波網(wǎng)絡(luò)后送入U(xiǎn)1，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作脈沖寬度的調(diào)節(jié)。

圖2 變化器設(shè)計(jì)原理圖

輸出電壓的穩(wěn)壓控制以U3為核心，采用TI公司的LM431［7］。輸出電壓經(jīng)R16和R15分壓，與U3內(nèi)部基準(zhǔn)電壓比較后產(chǎn)生反饋控制信號(hào)，經(jīng)U2反饋給一次側(cè)，R13、C8和R14、C9分別用于改善反饋環(huán)路特性，R9、R10、D5和C7組成上電延時(shí)電路，使上電延時(shí)時(shí)間控制在幾毫秒至幾十毫秒的范圍內(nèi)。二次側(cè)經(jīng)雙肖特基二極管堆D3整流和EO1、EO2、EO3、C10組成濾波電路輸出+5V電壓［8］。

4 關(guān)鍵技術(shù)

由于該變換器輸出電壓不高，輸出電流較大，但對(duì)電源效率的要求較高，紋波噪聲較低，因此，如何在規(guī)定的體積范圍之內(nèi)實(shí)現(xiàn)主要技術(shù)要求是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。在該變換器的設(shè)計(jì)過程中采取了以下主要措施：

（1）變壓器采用多繞組繞制方案，其中一次側(cè)采用雙繞組，二次側(cè)采用三繞組，以便盡可能的降低銅耗，減小變壓器發(fā)熱量，提高變壓器效率；

（2）二次側(cè)采用雙肖特基高速二極管堆整流，通過降低該二極管的管壓降減少整流損耗，減小整流器的發(fā)熱量，提高整流器效率；

（3）在二次側(cè)整流器電路中，濾波電解電容器全部采用極低等效串聯(lián)電阻的電解電容，濾波電感采用低內(nèi)阻的高頻功率型電感器，以便減小濾波器損耗，從而降低紋波噪聲；

（4）精心布板，盡量增大一次側(cè)和二次側(cè)主功率通道的電路板銅箔寬度，減小電路板損耗，改善紋波特性；

（5）輸出電壓的采樣電阻安排在輸出端口處，以便減小負(fù)載調(diào)整率。

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)成功解決了DC/DC變換器由體積、質(zhì)量限制帶來的矛盾，確保了DC/DC變換器在體積小、質(zhì)量輕的同時(shí)仍具有較高的電源效率，并且具備了高穩(wěn)定、高可靠的品質(zhì)。

參考文獻(xiàn)：

［1］張建成.DC-DC電源變換器輸出電壓低端擴(kuò)展及恒流保護(hù)法［J］.遼寧大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，38 （1）：25-28.Zhang Jiancheng.Solution to DC-DC Coverter Output Lower Voltage Enlarge Scale Enlargement and Constant Current Protection［J］.Journal of Liaoning University （Natural Science Edition），2011，38（1）：25-28.

［2］何偉仁.實(shí)用電源電路設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：中國計(jì)量出版社，1990.He Weiren.Practical Power Circuit Design Manual［M］.Beijing：China Metrology Press，1990.

［3］沙占友，王彥朋，周萬珍.單片開關(guān)電源最新應(yīng)用技術(shù)（第2版）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.Sha Zhanyou，Wang Yanming，Zhou Wanzhen.Single-chip Switching Power Supply Applications with The Latest Technology Version 2［M］.Beijing：Mechanical Industry Press，2005.

［4］孫康，孫碩.一種低交叉調(diào)整率的四路輸出DC/DC變換器設(shè)計(jì)［J］.微處理機(jī)，2014（6）：70-73.Sun Kang，Sun Suo.Design of Converter with 4-Rout Output DC-DC Low Cross Regulation［J］.Journal of Microprocessor，2014（6）：70-73.

［5］DPA425R.Management Team of Power Integrations，Power Contrller［DB/OL］.www.powerint.Com.

［6］NEC2703.Management Team of NEC，Optoelectronic Isolator［DB/OL］.www.national.com.

［7］LM431.Management Team of TI，Regulator Control ［DB/OL］.www.national.com.

［8］沙占有.同步整流式電源變化器的設(shè)計(jì)［J］.電氣應(yīng)用，2006，25（1）：28-31.Sha Zhanyou.The Design of Synchronous Rectifier and Its Application in DC/DC Coverter［J］.Electrotechnical Application，2006，25（1）：

Design of Single Channel Output DC/DC Converter Based on DPA Control

Nie Danfeng
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

Abstract：The Design of single channel output DC/DC converter based on the DPA control is described in this paper.The main technical specification，output 5V/10W，is referred to determine the design parameters.The main control chip，DPA425R from PI Company，is used to realize the adjustment for pulse width.The chip，integrated the main control chip of the converter and the power of MOS switch together，has the characteristics of small volume and strong power.And the composition diagram and the circuit principle diagram are designed accordingly，with high stability and reliability，which solves the problems of the volume and weight and keeps high efficiency in the required conditions of ripple noise，volume and weight.

Key words：DC/DC converter；DPA；Single channel output；Power Efficiency；High Stability；High Reliability

DOI：10.3969/j.issn.1002-2279.2016.02.024

中圖分類號(hào)：TP29

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1002-2279（2016）02-0094-03

作者簡(jiǎn)介：聶丹鳳（1983-），女，遼寧省沈陽市人，碩士，工程師，主研方向：電源設(shè)計(jì)。

收稿日期：2015-08-17