雙路輸出DC/DC變換器小型化設(shè)計(jì)

1 前言

電源是一切電子設(shè)備的心臟部分，其質(zhì)量的好壞直接影響電子設(shè)備的可靠性。目前各種高效便攜式電子產(chǎn)品發(fā)展趨于小型化，要求供電系統(tǒng)體積更小、重量更輕、效率更高。

POWER INTEGRATION(PI)公司推出的DPA Switch系列高電壓DC-DC轉(zhuǎn)換電路，將功率MOSFET、PWM控制器、故障保護(hù)及其他控制電路高效集成在一個(gè)單片CMOS芯片上，大大減少了電源的器件數(shù)目，降低了成本，減小了開關(guān)電源的體積和重量，簡化了設(shè)計(jì)，縮短了研制生產(chǎn)周期，可以通過對引腳不同的配置實(shí)現(xiàn)高性能的設(shè)計(jì)。它同時(shí)還具備遲滯熱關(guān)斷的保護(hù)特性，提高了開關(guān)電源的效率和可靠性。此外，所有關(guān)鍵參數(shù)(比如限流點(diǎn)、頻率、PWM增益)都具有嚴(yán)格的溫度及絕對容差，從而簡化了設(shè)計(jì)并降低了系統(tǒng)成本。本文以DPA422主控芯片設(shè)計(jì)了雙路輸出DC/DC變換器，其全部元器件約40個(gè)。

2 DPA-Switch單片開關(guān)電源

圖1是DPA-Switch的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖，主要由高壓電流源、5.8 V并聯(lián)調(diào)整器、軟啟動(dòng)電路、內(nèi)部欠壓比較器、電流限制調(diào)整電路、電流限制比較器、輸入線欠壓和過壓檢測電路、振蕩器、過溫保護(hù)電路、前沿消隱、功率MOSFET等模塊構(gòu)成。其引腳功能見下：

(1)漏極DRAIN(D)引腳

這一引腳是高壓功率MOSFET的漏極輸出點(diǎn)。此引腳經(jīng)過一個(gè)開關(guān)的高壓電流源給芯片內(nèi)部提供開機(jī)偏置電流。同時(shí)該引腳也是漏極電流的限流點(diǎn)檢測點(diǎn)。

(2)控制CONTROL(C)引腳

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(diǎn)。在正常工作時(shí)提供內(nèi)部偏置電流。同時(shí)，它也用來連接供電去耦及自動(dòng)重啟動(dòng)/補(bǔ)償?shù)碾娙荨?/p>

(3)線電壓檢測LINE-SENSE(L)引腳

過壓(OV)、欠壓(UV)鎖存、降低DCMAX的線電壓前饋、遠(yuǎn)程開/關(guān)和同步時(shí)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EXTERNAL CURRENTLIMIT(X)引腳

外部流限調(diào)節(jié)和遠(yuǎn)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FREQUENCY(F)引腳

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SOURCE(S)引腳

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

圖1 功能結(jié)構(gòu)框圖

3 應(yīng)用DPA422的開關(guān)電源設(shè)計(jì)

3.1 電路原理圖

圖2所示的電路為使用DPA422的雙路輸出反激式轉(zhuǎn)換器原理圖。對于輸入輸出要求隔離的應(yīng)用，此設(shè)計(jì)簡單、元件數(shù)目少，工作頻率高，高頻開關(guān)變壓器尺寸小，因此該變換器設(shè)計(jì)大小為31 mm×32 mm(樣機(jī)見圖3)，實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)。在22~32 V的直流輸入電壓范圍內(nèi)，此設(shè)計(jì)可輸出±5 V、2.5 W的功率，在27 V輸入時(shí)的效率大于75%.電阻R1、R2確定了輸入欠壓及過壓的保護(hù)閾值，分別為20 V和56 V.初級側(cè)的穩(wěn)壓箝位二極管VR1可以確保在輸入浪涌及過壓情況下U1峰值漏極電壓低于220 V BVDSS的額定值。初級偏置繞組在啟動(dòng)后給控制引腳提供電流。二極管D2對偏置繞組電壓進(jìn)行整流，而C6用于減低高頻開關(guān)噪聲的影響，防止偏置電壓的峰值充電發(fā)生。電容C2給U1提供去耦，因此要盡可能靠近控制引腳和源極引腳來放置。C3完成開機(jī)時(shí)能量的存儲及自動(dòng)重啟動(dòng)的定時(shí)。濾波電感L3為輸入提供一定的濾波作用。

圖2 開關(guān)電源的原理圖

以+5 V輸出作為主路輸出，次級+5 V由肖特基二極管D4整流，-5 V由肖特基二極管D3整流，經(jīng)低ESR的鉭電容C7~C10濾波，從而降低開關(guān)紋波并使效率最大化。使用一個(gè)很小的次級輸出電感L1、L2和陶瓷輸出電容C13/C14就足以在滿載時(shí)將峰峰值的高頻噪音及紋波抑制到小于30 mV以下。輸出電壓+5 V由R8和R9構(gòu)成的電壓分壓器進(jìn)行檢測，連接至2.5 V的電壓參考U3.反饋補(bǔ)償由R6、R7、R10、C11、C3和R3完成。電容C15作為軟啟動(dòng)結(jié)束電容，防止開機(jī)期間輸出端出現(xiàn)過沖。由R5、C5以及R4、C4組成的RC網(wǎng)絡(luò)為吸收電路。為保證輸出電壓調(diào)整率，輸出電壓-5 V在輸出整流后增加三端穩(wěn)壓管79L05(因尺寸要求，這里使用79L05,為保證效率，可選用其他DC/DC轉(zhuǎn)換電路)。

3.2 高頻變壓器設(shè)計(jì)

高頻變壓器設(shè)計(jì)是電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，可利用PIExpert專用軟件實(shí)現(xiàn)，也可根據(jù)反激式變壓器設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)中選擇開關(guān)頻率為400 kHz,目的是減小變壓器體積，使整個(gè)電源小型化。

下面是變壓器初級繞組設(shè)計(jì)參數(shù)：

最大占空比：Dmax=0.65;

~

初級峰值電流：

傳輸功率：

初級電感量：

取L1=98 μH，峰值電流為IP=0.36 A。

初次級匝比：

下面是變壓器次級繞組設(shè)計(jì)參數(shù)：

次級繞組峰值電流：

次級繞組整流管最高反向峰值電壓：

反饋繞組整流管最高反向峰值電壓：

次級繞組匝數(shù)：

反饋繞組匝數(shù)：

UF1：次級繞組肖特基整流管正向壓降;

UF2：反饋電路中高速開關(guān)整流管正向壓降;

UDS(ON)：開關(guān)管導(dǎo)通電壓。

另外，-5 V在本設(shè)計(jì)中輸出因有79L05，故考慮其最小壓差2.5 V，該路輸出的繞組電壓考慮7.5 V。在空間允許的情況下可采用非隔離DC/DC電路進(jìn)行穩(wěn)壓，可適當(dāng)增加其效率。

下面是變壓器選擇設(shè)計(jì)參數(shù)：

視在功率： PT=P0+P0/η(η取0.98)

面積乘積：

KW：變壓器窗口系數(shù)，一般取0.3;

J：電流密度，取5 A/mm2;

Kf：波形系數(shù)，取4;

則AP=0.005 cm4。

根據(jù)AP查磁芯手冊，磁芯選擇EPC13(3F3材料)。

原邊匝數(shù)：

因n=5，取Ns1(+5 V)為6匝，于是Np=Ns1·n=30，Ns2(-5 V)=9，反饋繞組匝數(shù)：NF=14。

為了避免磁芯飽和，在磁回路中加入一個(gè)適當(dāng)?shù)臍庀?，?jì)算如下：

在選擇繞組線徑時(shí)，考慮趨膚效應(yīng)和臨近效應(yīng)，反饋繞組采用#31AWG線雙線并繞。繞線長度盡可能短，為減小損耗，盡可能減小變壓器的漏感，原邊繞組和負(fù)邊繞組采用間繞方式。在變壓器的繞制中注意兩點(diǎn)：(1)將變壓器的原邊繞組放在骨架的最內(nèi)層，可減少原邊線圈的平均每匝長度，從而減少原邊繞組的雜散電容。同時(shí)，由于原邊繞組在變壓器的最內(nèi)層，可以被變壓器的其他繞組所屏蔽，從而減少變壓器與其他鄰近元件的噪聲耦合。(2)將輔助供電繞組放在變壓器的最外層，可增強(qiáng)該繞組與其他副邊繞組的耦合而減弱與原邊繞組的耦合。由于增強(qiáng)了與副邊繞組的耦合，輔助供電繞組上的電壓可以更準(zhǔn)確地跟隨輸出電壓變化。同時(shí)由于減弱了與原邊繞組的耦合，可減少由于初級漏感尖峰而引起的偏置繞組電壓尖峰。這兩方面都增強(qiáng)了輸出電壓調(diào)節(jié)性能。

3.3 輸出LC濾波器的選擇

由輸出電感和輸出電容所組成的濾波器，在濾波器諧振頻率點(diǎn)處的環(huán)路響應(yīng)上具有兩個(gè)極點(diǎn)。由于濾波器為損耗相當(dāng)?shù)偷闹C振電路，因而在接近諧振頻率點(diǎn)處的增益和相位的變化相當(dāng)突然。因此，用于調(diào)整環(huán)路響應(yīng)的極點(diǎn)和零點(diǎn)應(yīng)避開該頻率區(qū)域或者對此諧振加以補(bǔ)償。適當(dāng)?shù)剡x擇輸出濾波器的諧振頻率點(diǎn)可以降低反饋環(huán)路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。諧振頻率點(diǎn)的位置應(yīng)允許設(shè)計(jì)者采用有限數(shù)目且數(shù)值合理的補(bǔ)償元件來調(diào)整得到所需要的響應(yīng)特性。輸出電容的ESR具有一個(gè)零點(diǎn)，可以對濾波器的一個(gè)極點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償。但是，對于低ESR的鉭電解電容，通常其零點(diǎn)所對應(yīng)的頻率過高，在所希望的環(huán)路帶寬內(nèi)不能夠充分地抵消濾波器的影響。在某些可以使用標(biāo)準(zhǔn)低ESR電解電容的情況下，較高的ESR使得ESR零點(diǎn)位于足夠低的頻率點(diǎn)上，從而增加了有效的附加相位裕量。 輸出濾波電容為足夠多的電容并聯(lián)在一起使用最為合理。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

筆者通過對以上設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化和微調(diào)，研制出符合設(shè)計(jì)要求的樣機(jī)(如圖3)，常溫條件下測試結(jié)果見表1.

圖3 樣機(jī)照片

表1 樣機(jī)測試結(jié)果

4 結(jié)語

最后對開關(guān)電源進(jìn)行了高低溫實(shí)驗(yàn)，分別在-45 ℃和85 ℃的條件下考核，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該電源可以在-45~85 ℃條件下正常工作，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，表明該電源運(yùn)行可靠，輸出穩(wěn)定。