低交叉調整率的雙輸出DC／DC變換器設計

賈麗超，劉云鵬

（1．中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032；2．沈陽中鈔信達金融設備有限公司，沈陽110122）

·微機網絡與通信·

低交叉調整率的雙輸出DC／DC變換器設計

賈麗超1，劉云鵬2

（1．中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032；2．沈陽中鈔信達金融設備有限公司，沈陽110122）

開關電源在工業控制、家用電器、儀器儀表等領域的應用非常廣泛。DPA－Switch系列產品是高度集成的解決方案，適用于16～75 VDC輸入的DC／DC轉換器應用。單端反激DC／DC變換器具有電路簡單、體積小、成本低等優點。應用單片DPA426R芯片設計了一款具有低交叉調整率的單端反激雙路輸出DC／DC變換器，給出了電路原理圖和主要電性能指標，介紹了改善兩路輸出電壓平衡、降低交叉調整率的方法，對三種電壓采樣方式進行了說明。實驗結果表明，該變換器不僅輸出穩定，輸出紋波小，效率高，而且具有較低的交叉調整率這一突出優點。

單片DPA426R；單端反激；雙路輸出；DC／DC變換器；電壓采樣；交叉調整率

1　引　言

開關電源在電力電子設備、工業自動化控制、軍工設備、儀器儀表等領域應用廣泛，在人們的生產、生活中具有重要作用。DC／DC變換器是開關電源的主要組成部分，反激式DC／DC變換器具有電路簡單、體積小、成本低和效率高等優點，適合于小功率開關電源的設計［1］。本文應用單片DPA426R芯片設計了一款單端反激雙路輸出低交叉調整率的DC／DC變換器，并對其原理及實驗結果進行了介紹。

2　單端反激式電路結構簡介

圖1　單端反激式電路原理圖

3　低交叉調整率的單端反激雙路輸出DC／DC變換器

應用單片DPA426R芯片作為主控芯片，設計了一款低交叉調整率的單端反激雙路輸出DC／DC變換器。其輸入電壓范圍為18V～36V，輸出電壓分別為15V／0．67A和－15V／0．67A，總輸出功率為20W。圖2為該變換器的電路原理圖，下面對其進行說明。

圖2　低交叉調整率的單端反激雙路輸出DC／DC變換器原理圖

主控芯片U1的線電壓檢測引腳L，通過R3與輸入端VI相接，用來檢測輸入端電壓，從而實現欠電壓保護、過電壓保護及線電壓前饋功能；外部流限設定引腳X，通過R1與VI相接，以利用輸入電壓來設定極限電流，且極限電流會隨VI值的增高而降低，實際上也就是限定了變換器二次側的總輸出功率；頻率引腳F與控制引腳C相連，設定開關頻率為300KHz［4］。變換器的工作原理是：LI1、CI1和CI3組成輸入端濾波器，D1為U1的漏極提供箝位電壓，D4和C5為U1供電，C4、R5和EI1為U1提供去耦，D3和D6分別為正、負兩路輸出VO＋15和VO－15提供整流，EO1、L2和EO2，EO4、L3和EO5分別構成兩路輸出的π型濾波器，可降低各輸出的高頻噪聲和紋波，R28和R29為假負載［5］。輸出總電壓VO＋15與VO－15之和經R16、輸出負電壓VO－15經R23共同與R17分壓后被采樣，采樣電壓與可調式精密并聯穩壓器U3中的2．5V基準電壓進行比較，產生誤差電壓，該誤差電壓控制線性光電耦合器U2，使U2的發光二極管工作電流發生變化，從而調節U2的二次側電流，進而控制U1的控制端電流來改變U1的輸出占空比，最終達到穩定輸出電壓的目的。R9、R10、D5和C7構成軟啟動網絡，在變換器上電時抑制過大的啟動電流并防止輸出端出現過沖。C8、R13、C9、R14則可改善環路控制響應［6］。設計中變壓器選用EFD15－PC40型磁芯，初級、次級及供電繞組的匝數比NP：NS：NF為14：15：12［7－8］。

4　重點與難點

交叉調整率為雙路輸出DC／DC變換器的一個重要參數，用其中一路輸出端負載發生跨步變化時，對另一路輸出電壓精度影響的百分比來表示。以本文雙路輸出DC／DC變換器的正路為例，交叉調整率是指：正路帶半載輸出，負路從半載輸出變化到滿載輸出時，正路輸出電壓的相對變化量，其計算公式為：

式中VC＋為正路輸出的交叉調整率，VO2為正路帶半載、負路帶滿載時正路的輸出電壓，VO1為正路帶半載、負路帶半載時正路的輸出電壓，VO＋為正、負路均滿載時正路的輸出電壓。對于電源使用者來說，除了要求每路輸出都穩定之外，交叉調整率當然越低越好，即雙路輸出的電源，任何一路的負載發生變化，只要不超過規定的最大負載，對另一路輸出的影響都盡可能小。這就需要在變換器的閉環控制回路中，對兩路輸出進行精確控制，以使兩路輸出的電壓值不受其中一路負載變化的影響或影響盡可能小。如何獲得盡可能低的交叉調整率是本設計的重點和難點。

圖3　雙路輸出DC／DC變換器的三種輸出電壓采樣方法

要想獲得較低的交叉調整率，需要對輸出進行精確控制，而對輸出控制的精確程度又與閉環控制回路中電壓采樣的方法密切相關。在現有的正、負雙路輸出電源中，對輸出電壓的采樣方法通常有兩種，分別如圖3中（a）和（b）所示。圖（a）所示電路是對VO＋與VO－正負兩路輸出電壓之和進行采樣，這種方法只能確保總輸出電壓的穩定，而對輸出電壓中間點的地電平GO的波動卻無能為力。以本文±15V輸出為例，如果由于某種原因使正輸出端的負載加重，同時使負輸出端的負載減輕，則會使VO＋的值減小（如下降到14．5V），VO－的絕對值增加（如增加到15．5V），而總輸出電壓依然保持30V不變，這樣控制回路僅從采樣的總輸出電壓值來看，無法判斷出VO＋與VO－的值已經因為各自負載的變化而發生變化，也就不會對電路進行相應的反饋調整。而實際上，正、負兩路輸出電壓都已經發生較大偏差，從而使得圖（a）所示電路的交叉調整率會比較大。圖（b）所示電路是僅對VO＋采樣，即只能確保VO＋的穩定，而VO－則處于開環不受控制的狀態。一旦VO＋的負載發生較大變化，控制回路只能對VO＋進行控制，使其仍然穩定在15V左右，而VO－的值則因為不受閉環回路控制而發生很大變化，使得電路中負路輸出的交叉調整率較大。事實上，用一個閉環回路同時控制兩路輸出電壓的穩定確實是一件非常困難的事情。這也正是圖（a）和圖（b）所示電路交叉調整率較大的根本原因。

圖（c）是一種更全面、更均衡的輸出電壓采樣方案，它對正、負兩路總輸出電壓和VO－同時進行采樣，在確保VO－穩定的同時，兼顧總輸出電壓的穩定，而總輸出電壓中包含了VO＋，即它可以實現用一個閉環回路同時控制正、負兩路輸出電壓的穩定。即使其中任何一路的負載發生較大變化（在規定負載范圍內），閉環控制回路都會在穩定負載發生變化那路輸出的同時，控制另一路的輸出也保持穩定。這樣兩路各自的輸出就不會因為其中一路負載的變化而較原來產生較大偏差，那么由前面的公式可知，圖（c）所示電路的交叉調整率就會比較低。在本文DC／DC變換器的設計之中就采用了圖（c）所示的采樣方法。除此之外，在繞制變壓器時，副邊兩繞組采用的是相同線徑，同等長度的銅線進行并排繞制，以使兩繞組的感應電壓相同，內阻相同，從而保證了輸出電壓的平衡。

5　實驗結果

經過多次實驗證明，設計的單端反激雙路輸出DC／DC變換器在－40℃～85℃溫度范圍內，均具有優良的電性能，且輸出穩定，交叉調整率低，如表1所示。

表1　主要電性能（－40℃～85℃）

6　結束語

介紹了一種低交叉調整率的單端反激雙路輸出DC／DC變換器設計，該設計實現了用一個閉環回路同時控制正、負兩路輸出電壓的穩定。文中對雙路輸出DC／DC變換器輸出電壓的采樣方法進行了說明和比較。該設計使單端反激雙路輸出DC／DC變換器，除了具有優良的電性能和高可靠性外，還具有較低的交叉調整率這一重要特性，為雙路輸出DC／DC變換器實現輸出電壓平衡提供了有益參考。

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［4］Power Integrations，Inc．DPASwtich Data Sheet［Z］．／2012．http：／／ac－dc．power．com／sites／default／files／product－docs／dpa_family_datasheet．pdf．

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［8］Abraham I．Pressman，Keith Billings，Taylor Morey．開關電源設計［M］．北京：電子工業出版社，2010．Abraham I．Pressman，Keith Billings，Taylor Morey．Switching power supply design［M］．Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2010．

Design of DC／DC Converter With Double－route Output Low Cross Regulation

Jia Lichao1，Liu Yunpeng2
（1．The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China；2．Shenyang Zhongchaoxinda Finance Device LTD．，Shenyang 110122，China）

Switch power is widely used in many fields such as industry control，household appliances and various instruments．The DPA－Switch series products，as an highly integrated solution，are applicable to DC／DC converter with DC voltage input range from 16V to 75V．The single－ended flyback DC／DC converter has the advantages of simple circuit，small volume and low cost，etc．A DC／DC converter with double－route output low cross regulation based on single DPA426R is designed in this paper．And the circuit diagram and main electrical properties are provided，the methods of improving the balance of the double－route output and reducing the cross regulation are introduced．The result of this experiment shows that the converter has many advantages of steady output，low voltage ripple，high efficiency as well as the lower cross regulation．

Single DPA426R；Ended flyback；Double－route output；DC／DC converter；Voltage sampling；Cross regulation

10．3969／j．issn．1002－2279．2016．05．006

TP29

B

1002－2279（2016）05－0021－04

當高速開關S閉合，變壓器的初級線圈正好被直流電源VI激勵時，變壓器的次級線圈耦合電壓被VD截止，沒有向負載提供輸出電壓；而僅在高速開關S斷開時，變壓器初級線圈儲存的電能才被耦合到次級

賈麗超（1982－），女（滿族），遼寧省開原市人，工程師，碩士研究生，主研方向：電子產品研制和開發。

2015－12－15線圈并向負載提供輸出電壓VO，這就是單端反激式電路的基本原理［2－3］，其電路原理圖如圖1所示。