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(shè)備有限公司，沈陽110122）

·微機應(yīng)用·

基于DPA-Switch DC/DC變換器的設(shè)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(shè)備有限公司，沈陽110122）

開關(guān)電源以其高效率、低功耗等特點在各領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。作為開關(guān)電源主要組成部分的DC/DC變換器，具有高精度，強隔離性和高穩(wěn)定性等特點，是具有特殊功能的混合集成電路。DPASwitch系列產(chǎn)品是PI公司生產(chǎn)的高度集成DC/DC開關(guān)轉(zhuǎn)換IC，其性能優(yōu)越、設(shè)計靈活。簡單介紹了DPA-Switch系列芯片的原理與主要功能，給出了三種基于該系列芯片DC/DC變換器的設(shè)計實例：單端反激式單路輸出電路、單端正激式單路輸出電路和單端反激式雙路輸出電路，包括電路原理圖和測試所得的電性能指標，并對其工作原理進行了說明。

DPA-Switch芯片；DC/DC變換器；單端正激；單端反激；雙路輸出；交叉調(diào)整率

1 引言

隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，電力電子設(shè)備與人們工作、生活的關(guān)系日益密切，而幾乎所有電力電子設(shè)備都離不開可靠的電源。以往開關(guān)電源的設(shè)計通常采用控制電路與功率管相分離的拓撲結(jié)構(gòu)，這種方案存在成本高、系統(tǒng)可靠性低等問題。DC/DC變換器作為開關(guān)電源的主要組成部分，在家用電器、工業(yè)控制、汽車電子等方面應(yīng)用廣泛[1]。DPA–Switch IC產(chǎn)品系列是高度集成的解決方案，適用于16V～75V直流輸入的DC/DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用。它將MOSFET功率開關(guān)、PWM控制器、故障保護以及其他控制電路高效集成在一個CMOS芯片之內(nèi)，且它所有的關(guān)鍵參數(shù)（限流點、頻率、PWM增益）都具有嚴格的溫度及絕對容差，從而簡化了設(shè)計，降低了系統(tǒng)成本[2]。

2 DPA-Switch系列芯片簡介

DPA-Switch系列芯片的幾種封裝形式及引腳排列見圖 1，其中：P為 DIP-8，G為 SMD-8，R為TO-263-7C，S為MO-169-7C。需要注意的是，對于DPA426來說，只有S和R兩種封裝。

圖1 DPA-Switch系列芯片的封裝形式及引腳排列圖

由圖1可見，該系列芯片的引腳均等效于6端器件，分別為漏極引腳（D）、控制引腳(C)、線電壓檢測引腳（L）、外部流限設(shè)定引腳（X）、頻率引腳（F）和源極引腳（S）。各引腳功能如下：

（1）漏極引腳（D）：高壓功率MOSFET的漏極輸出點。此引腳經(jīng)過一個開關(guān)的高壓電流源給芯片內(nèi)部提供開機偏置電流。同時該引腳也是漏極電流的限流點檢測點。

（2）控制引腳（C）：誤差放大器及用來控制占空比的反饋電流的輸入引腳。內(nèi)部分流穩(wěn)壓電路連接節(jié)點。在正常工作時提供內(nèi)部偏置電流。同時，它也用來連接供電去耦及自動重啟動／補償?shù)碾娙荨?/p>

（3）線電壓檢測引腳（L）：過壓（OV）、欠壓（UV）鎖存、降低DCMAX的線電壓前饋、遠程開／關(guān)和同步時使用的輸入引腳。連接至源極引腳則禁用此引腳的所有功能。

（4）外部流限設(shè)定引腳（X）：外部流限調(diào)節(jié)和遠程開／關(guān)控制引腳。連接至源極引腳則禁用此引腳的所有功能。

（5）頻率引腳（F）：選擇開關(guān)頻率的輸入引腳：如果連接到源極引腳則開關(guān)頻率為400 kHz，連接到控制引腳則開關(guān)頻率為300 kHz。

（6）源極引腳（S）：此引腳是輸出MOSFET的源極連接點，用于功率返回端。它也是初級控制電路的公共點及參考點[3]。

3 基于DPA-Switch芯片的DC/DC變換器設(shè)計

圖2 單路輸出單端反激DC/DC變換器原理圖

應(yīng)用DPA-Switch芯片作為主控芯片設(shè)計了幾種DC/DC變換器，下面分別對這幾種設(shè)計實例進行介紹和說明。圖2為應(yīng)用DPA425G芯片設(shè)計的一種單端反激式DC/DC變換器原理圖，該變換器輸入電壓范圍為18～36V，輸出為單路5V/1A，輸出功率為5W。

電路的工作原理是：L1、C1和C2構(gòu)成輸入端濾波器，隔離輸入端的干擾；VI通過電阻R1與主控芯片U1，即DPA425G的X引腳相連，作用是利用輸入電壓設(shè)定極限電流，即限定變換器二次側(cè)的總輸出功率；U1漏極的箝位電壓由D1提供，F(xiàn)引腳與控制引腳C相連，將開關(guān)頻率設(shè)定為300kHz，L引腳通過R3與VI相連，以此來檢測輸入端電壓，實現(xiàn)欠電壓保護、過電壓保護及線電壓前饋功能。C4為去耦電容，D2和C5為U1供電，D3為輸出整流二極管，EO1和EO2為輸出濾波電容，L3和C10則構(gòu)成低通濾波器，降低輸出的高頻噪聲和紋波。輸出電壓經(jīng)R15和R16分壓后被采樣，采樣電壓與可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器U3中的2.5V基準電壓進行比較，產(chǎn)生誤差電壓，該誤差電壓反饋給線性光電耦合器U2，使U2的發(fā)光二極管工作電流發(fā)生變化，從而調(diào)節(jié)U2二次側(cè)的電流，進而控制U1的控制端電流來改變U1的輸出占空比，以達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。R9、R10、D5和C7構(gòu)成軟啟動網(wǎng)絡(luò)，防止變換器在上電時輸出端出現(xiàn)過沖。C8、C9、R13、R14則可改善環(huán)路控制響應(yīng)[4]。本設(shè)計中變壓器選用EPC10-PC40型磁芯，初級、次級及供電繞組的匝數(shù)比NP:NS:NS2:NF為16:6:6:12[5-6]。

測試結(jié)果表明，該變換器的各項電性能優(yōu)良，如表1所示。

表1 主要電性能（-40℃～85℃）

圖2所示的單端反激式電路的原理是當(dāng)變壓器的初級線圈正好被直流電壓激勵時，變壓器的次級線圈沒有向負載提供功率輸出，而僅在變壓器初級線圈的激勵電壓被關(guān)斷后才向負載提供功率輸出[7]。它的優(yōu)點是電路使用的元器件較少，成本較低。但要得到較大的輸出功率，就不應(yīng)該選用反激式電路結(jié)構(gòu)，而應(yīng)選用正激式電路結(jié)構(gòu)。

圖3為應(yīng)用DPA424R芯片設(shè)計的一種正激式DC/DC變換器原理圖，該變換器的輸入電壓范圍為18V～36V，標稱輸入電壓為 28V，輸出為單路-15V/0.5A，輸出功率為7.5W。

圖3所示電路采用的是單端正激式結(jié)構(gòu)，即初級主功率管與次級整流管的開關(guān)狀態(tài)相同，同時導(dǎo)通或截止。此結(jié)構(gòu)的特點是結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。圖中U1為DPA424R主控芯片，U2為線性光電耦合器，U3為可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器，電路的原理與圖2電路基本相同，此處不再贅述。本設(shè)計中變壓器的磁芯型號為ER14.5-PC40型，初級、次級及供電繞組的匝數(shù)比NP:NS:NF為13:21:8。

該變換器的各電性能經(jīng)測試如表2所示。

圖3 單路單端正激DC/DC變換器原理圖

表2 主要電性能（-40℃～85℃）

最后介紹一種雙路輸出的單端反激式DC/DC變換器，其原理圖如圖4所示。

對于多路輸出的DC/DC變換器，最大的難點在于保證多路輸出電壓的平衡，使其具有較低的交叉調(diào)整率（多路輸出DC/DC變換器的重要參數(shù)之一）。圖4所示電路采用單片DPA426R芯片同時對兩路輸出進行控制，并通過以下兩種方法來解決上述難點：（1）變壓器兩副邊繞組采用相同線徑，同等長度的銅線進行繞制，以使兩繞組的磁感應(yīng)強度相同，有利于輸出電壓的平衡[8]；（2）反饋回路中，對變換器的正路輸出端和公共地端的電壓同時進行采樣，即誤差電壓同時反映正、負兩路輸出電壓的變化，相當(dāng)于對兩路輸出同時進行控制，這樣有效地改善了兩路輸出電壓的平衡，同時也提高了各輸出電壓的精度。此設(shè)計中變壓器選用EFD15-PC40型磁芯，初級、次級及供電繞組的匝數(shù)比NP:NS:NF為14:15:12。測試結(jié)果證明，該種變換器除具有較低的交叉調(diào)整率之外，其它電性能也十分優(yōu)良，詳見表3。

圖4 雙路輸出單端反激式DC/DC變換器原理圖

表3 主要電性能（-40℃～85℃）

4 結(jié)束語

簡要介紹了DPA-Switch系列芯片的基本原理和主要功能，應(yīng)用不同型號DPA芯片設(shè)計了幾種DC/DC變換器，并分別進行了說明?；谠撓盗行酒珼C/DC變換器的設(shè)計，充分利用芯片各引腳功能，提供了外圍電路的設(shè)計方法，包括輸入濾波、輸出整流和濾波電路的組成、變壓器的相關(guān)參數(shù)，及軟啟動電路的構(gòu)成；而對于雙路輸出DC/DC變換器，則給出了獲得較小交叉調(diào)整率的解決方案。三款樣品的測試結(jié)果表明，基于DPA-Switch系列芯片設(shè)計的DC/DC變換器不僅具有體積小、重量輕、成本低等特點，還具有輸出穩(wěn)定，紋波小，輸出效率高等優(yōu)良的電性能和高可靠性。

[1]周潔敏.開關(guān)電源理論及設(shè)計[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.Zhou Jiemin.Theory and Design of Switching Power Supply[M].Beijing：Beihang University press,2012.

[2]王水平，王保保，賈靜.單片開關(guān)電源集成電路應(yīng)用設(shè)計實例[M].北京：人民郵電出版社，2008.Wang Shuiping,Wang Baobao,Jia Jing.Applications and Design Example of Single Switching Power Supply[M].Beijing：PT press,2008.

[3]Power Integrations,Inc.DPA-Switch Data Sheet[EB/OL].（2015.06）/[2016.10.17].http://ac-dc.power.com/sites/default/files/product-docs/dpa_family_datasheet.pdf.

[4]沙占友，王彥朋，周萬珍，等.單片開關(guān)電源最新應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.Sha Zhanyou,Wang Yanpeng,Zhou Wanzhen,etc.The newest Application Technology of Single Switching Power Supply[M].Beijing：Publishing House of Mechanical Industry,2005.

[5]胡斌，胡松.電子工程師必備——元器件應(yīng)用寶典[M].北京：人民郵電出版社，2012.Hu Bin,Hu Song.The Essential Book of Electronic Engineer——A Value Book of Component Application[M].Beijing：PT press,2012.

[6]Abraham I.Pressman,Keith Billings,Taylor Morey.開關(guān)電源設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.Abraham I.Pressman,Keith Billings,Taylor Morey.Switching Power Supply Design[M].Beijing：Publishing House of Electronics Industry,2010.

[7]陳純鍇.開關(guān)電源原理、設(shè)計及實例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.Chen Chunkai.Theory,Design and Example of Switching Power Supply[M].Beijing：Publishing House of Electronics Industry,2013.

[8]Sanjaya Maniktala.精通開關(guān)電源設(shè)計[M].北京：人民郵電出版社，2015.Sanjaya Maniktala.Be Versed of Switching Power Supply Design[M].Beijing：PT Press,2015.

Design of DC/DC Converter Based on DPA-Switch

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 supply is widely used in all kinds of fields because of its notable features，such as high efficiency and low power consumption.DC/DC converter is the main component of switch power supply，and it has the characters of high output voltage accuracy，better isolation performance and stability.It's a kind of HIC with special function.The series products of DPA-Switch are highly integrated DC/DC switch conversion IC，they not only has the superior performance，but also can be designed flexibly.In this paper，the principle and the main function of the series of DPA-Switch chip are introduced briefly.Then three design examples of DC/DC converter based on DPA-Switch chip are provided，they are single output circuit of Single-Ended flyback，single output circuit of Single-Ended forward and Double-route output of Single-Ended flyback.Meanwhile，the circuit schematics and electrical performance indicators achieved by testing are shown，and the principles are introduced.

DPA-Switch chip；DC/DC converter；Single-Ended forward；Single-Ended flyback；Double-route output；Cross regulation

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.05.014

TP29

B

1002-2279-（2017）05-0053-04

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(chǎn)品研制和開發(fā)。