基于DPA

摘要： DPA- Switch 系列器件具有TOP 和Tiny 系列的技術(shù)特點(diǎn)，采用脈寬調(diào)制（PWM）和跳周期調(diào)制（PSM）相結(jié)合的新型調(diào)制方式來調(diào)節(jié)輸出電壓，并具有低功耗和高效率等優(yōu)點(diǎn)。本文提出了基于該器件小功率四路輸出的單端正激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)方案，給出了簡化設(shè)計(jì)步驟和參數(shù)計(jì)算。

1 引言

單片開關(guān)電源集成電路具有高集成度、高性價比、外圍電路簡單等特點(diǎn)，可構(gòu)成高效率、無工頻變壓器的隔離式開關(guān)電源。單片開關(guān)電源在成本上與同等功率的線性穩(wěn)壓電源相當(dāng)，但其功率顯著提高，體積和重量減小近一半，具有良好的應(yīng)用前景。目前已有十大系列，100 多種型號的產(chǎn)品。

2 DPA- Switch 單片開關(guān)電源

DPA- Switch 系列定位于低功率的DC/DC 應(yīng)用領(lǐng)域，集成了200 V 功率MOSFET 和低壓控制電路。該系列器件除了具有傳統(tǒng)DC/DC 轉(zhuǎn)換器的過溫保護(hù)、電流限制、前沿消隱、脈寬調(diào)制等功能外，還包含外部可編程電流限制調(diào)節(jié)、外部同步、遠(yuǎn)程通斷等多種功能。DPA- Switch 系列將多種功能集成于同一引腳，可使設(shè)計(jì)的外圍元件數(shù)比典型分立DC/DC 轉(zhuǎn)換器減少近50 個，同時各種功能又互不影響。

圖1 是DPA- Switch 系列器件內(nèi)部功能框圖，主要由高壓電流源、5.8 V 并聯(lián)調(diào)整器、軟啟動電路、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。

圖1 DPA- Switch 內(nèi)部功能模塊框圖

上電時，漏極端（DRAIN） 通過內(nèi)部高壓電流源提供內(nèi)部偏置電流使系統(tǒng)啟動，其工作電壓范圍為16 V~75 V.控制端（CONTROL） 通過控制電流來改變DPA- Switch 的占空比。電壓檢測端（ LINESENCE）為過壓OV、欠壓UV 鎖定輸入引腳，用于同步和開/關(guān)控制。限流端（ EXTERNAL CURRENTLIMIT） 控制限流點(diǎn)和開/關(guān)功能。源極端（ SOURCE）作為電源參考點(diǎn)。選頻端（ FREQUENCY） 選擇300kHz 或400 kHz 工作頻率。

通過控制端外接電容的充電過程實(shí)現(xiàn)電路的軟啟動。當(dāng)控制端電壓Vc 達(dá)到5.8 V 時，內(nèi)部高壓電流源關(guān)閉，此時由反饋控制電流向Vc 供電。在正常工作模式下，由外界電路構(gòu)成電壓負(fù)反饋控制環(huán)，調(diào)節(jié)輸出級MOSFET 的占空比以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。當(dāng)控制端電壓低于4.8 V 時，MOSFET 關(guān)閉，控制電路處于小電流等待狀態(tài)，內(nèi)部高壓電流源重新接通并向Vc 充電，其關(guān)斷/自動復(fù)位滯回比較器可使Vc保持在4.8 V~5.8 V.圖2 是其典型電壓波形，各段含義如下： （ 1） 電源啟動； （ 2） 正常工作； （ 3） 自啟動；（ 4） 電源關(guān)閉。在自動重啟期間，占空比控制在4 %左右可有效地限制器件功耗。

圖2 典型電壓波形

3 IGBT 變頻器用開關(guān)電源設(shè)計(jì)

本電源是為應(yīng)用在驅(qū)動異步電機(jī)的IGBT 變頻器環(huán)境而設(shè)計(jì)的控制電源，其輸入電壓取自變頻器主回路直流母線電容電壓，輸出為多路獨(dú)立直流電壓。其中，主輸出15 V 用于驅(qū)動電路，±15 V 用于檢測及模擬回路，5 V 用于接口電路。

開關(guān)電源技術(shù)指標(biāo)： 輸入直流電壓范圍為18V~40 V; 四路輸出設(shè)計(jì)： 主輸出15 V, 輸出電流2.33A, 功率35 W; 其他輔助輸出： 5 V 隔離輸出，隔離輸出2 路共地的15 V 和- 15V, 每一路的輸出電流為100 mA, 總輸出功率大于40 W.圖3 是典型DPASwitch單端正激式開關(guān)電源電路。

圖3 典型DPA- Switch 單端正激式開關(guān)電源電路

3.1 器件選取

實(shí)際應(yīng)用中選用何種型號的DPA- Switch 器件，要根據(jù)轉(zhuǎn)換器的最大輸出功率、效率、散熱以及成本等因素綜合考慮。簡便的方法是借助DPASwitch輸出功率和耗散功率關(guān)系表。本設(shè)計(jì)選擇DPA425R, 其最大輸出功率70 W, 在輸出功率50 W時，功耗為2.5 W.

3.2 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

PI Expert 電源設(shè)計(jì)軟件是PI 公司開發(fā)的一種交互式軟件，可以針對相關(guān)的硬件，按照用戶提出的電源規(guī)范產(chǎn)生具體能量轉(zhuǎn)換方案。PI Expert 可提供一種直觀、分步的設(shè)計(jì)界面，用戶可分別設(shè)定變壓器、輸入電容參數(shù)和所用器件。

利用PI Expert 軟件開發(fā)平臺，可以方便地選擇開關(guān)電源電路拓?fù)?、器件系列、器件封裝、工作頻率以及其他相關(guān)特性參數(shù)。

開關(guān)電源采用同步整流和正激變換，使得對低壓大電流的整流效率得到顯著提高。當(dāng)輸入電壓為24 V 時，電源效率經(jīng)PI Expert 分析大于90%, 選擇開關(guān)頻率300 kHz, 主輸出系統(tǒng)電路如圖4 所示。

圖4 主輸出系統(tǒng)電路框圖

3.3 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)。

利用最大占空比DMAX=70%計(jì)算直流側(cè)原邊和主輸出次邊變壓器變比：

其中，VD 為輸出整流器件的正向壓降； VO 為主輸出電壓15 V; VDS 為DPA- Switch 的漏源電壓降，取1 V; R 是考慮各種雜散損耗因素后的綜合系數(shù)，取0.95, 計(jì)算出匝比是1.57.

計(jì)算出變壓器次級匝數(shù)，再估算初級匝數(shù)，使變壓器磁芯BM 工作在1000 Gs~1500 Gs 范圍，從而減小交流磁通密度對磁芯損耗的影響。

其中，Ae 為變壓器磁芯有效面積。一般磁芯輸出功率和磁芯面積的經(jīng)驗(yàn)公式：

Pt 為高頻變壓器輸入輸出平均值。通過對常用磁芯的特點(diǎn)比較，同時考慮漏磁、散熱、功率等相關(guān)因素，選用鐵氧體EI28 型磁芯，Ae=1.21mm2, 最大磁感應(yīng)強(qiáng)度BS=4000×10- 4T.

根據(jù)式（ 1） 和（ 2） 可知，np≈4, ns≈6.其他路變壓器設(shè)計(jì)可按照如上步驟計(jì)算。

注意：在選擇繞組線徑時，必須考慮趨膚效應(yīng)和臨近效應(yīng)。繞線長度應(yīng)盡可能的短，否則繞組本身的阻性損耗將不可忽略。為減小損耗，應(yīng)盡可能減小變壓器的漏感，推薦初級繞組和次級繞組采用間繞方式。另外，繞制變壓器時無需留氣隙。

3.4 輸出電感的選取

在最大輸入電壓VMAX 下確定輸出電感，以保證電流連續(xù)性。假設(shè)電感峰- 峰值紋波電流△f 為最大負(fù)載電流的15%~20%.

計(jì)算出LO=121.58 μH.

3.5 DPA- Switch 外圍電路設(shè)計(jì)

開關(guān)電源原理如圖5 所示。由C1、C2、L1 組成輸入EMI 濾波部分。為防止DPA- Switch 內(nèi)部開關(guān)管漏極電壓受初級漏感電流的影響而超出其額定值，在初級側(cè)增加箝位網(wǎng)絡(luò)，選SMBJ150 起到24 V限壓作用。R1 設(shè)置器件的起始電壓，R2 用于器件限流。C4 吸收紋波，與DPA- Switch 的CONTROL 引腳相連的R3 和C4 一起構(gòu)成了反饋環(huán)路的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。D1、C5 調(diào)整過濾偏壓。

圖5 開關(guān)電源原理

3.6 多路輸出電路設(shè)計(jì)

主輸出采用同步整流電路，使用無源的RC 電路驅(qū)動MOSFET 整流管，可以避免柵極過電壓的情況。同步整流管采用SI4804 型功率MOSFET, 其額定工作電流7.5 A , 最高反向工作電壓35 V.C6通過R5 對開關(guān)管充電，VR2 限制開關(guān)管門極正向電壓，在其關(guān)斷時，通過C6 釋放能量。R6 保證在無開關(guān)信號下，開關(guān)管始終保持關(guān)斷。SL13 保證變壓器重置。

鑒于開關(guān)頻率高，采用超快速恢復(fù)二極管作為阻塞二極管、輸出整流管和反饋電路的整流管。選取原則： 額定工作電流至少是該路最大輸出電流的3 倍； 最高反向工作電壓必須高于所規(guī)定的最低耐壓值的2 倍。因此，輔助輸出： V02（ 5 V、0.14A、0.7 W） 選取MBR745, 額定工作電流7.5 A, 最高反向工作電壓為45 V; V03 （ 15 V、0.14 A、2.1W） 和V04（ - 15 V、0.14 A、2.1 W） 選取UF4004, 額定工作電流為1 A, 最高反向工作電壓為400 V.

3.7 光耦反饋電路設(shè)計(jì)反饋回路的穩(wěn)定性直接影響著開關(guān)電源的性能。光耦合器應(yīng)提供給控制端足夠的電流，電流傳輸比（CTR） 允許范圍是50%~200%, 故選擇線性光耦CNY17- 3, 其CTR 為100%~200%, 反向激穿電壓70 V.

反饋電路采用配TL431 的精密光耦反饋電路。

R8 和R9 感應(yīng)輸出電壓，并將信號傳給TL431, C7減少TL431 高頻增益。光耦通過R7 與輸出連接，R7確定反饋電路增益。R11、C8、BAV19WS 用于啟動時消抖。

在輔助輸出采用穩(wěn)壓管（ 如7805） , 有助于提高輸出電壓線性度。

4 應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)以上PI Expert 電源軟件設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算，設(shè)計(jì)了一個基于DPA425R 型控制電路和同步整流技術(shù)的開關(guān)電源模塊，系統(tǒng)原理電路圖如圖5 所示。

5 結(jié)束語

本文采用DPA- Switch 設(shè)計(jì)DC/DC 正激轉(zhuǎn)換器，簡化了復(fù)雜的控制和保護(hù)電路，電網(wǎng)適應(yīng)性強(qiáng)，工作范圍寬，具有輸出短路保護(hù)功能，模塊體積小，可直接設(shè)計(jì)在電機(jī)驅(qū)動控制板上，調(diào)試維護(hù)方便，功率一般40 W左右即可。隨著PI Expert 電源設(shè)計(jì)軟件的廣泛應(yīng)用，可滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期越來越短的要求。

[1].PSMdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/PSM_1196425.html.
[2].SMBJ150 datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/SMBJ150+_2039708.html.
[3].C4 datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/C4+_2455492.html.
[4].SL13 datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/SL13+_610696.html.
[5].CTRdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/CTR_2043386.html.
[6].TL431 datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/TL431+_651177.html.
[7].BAV19WS datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/BAV19WS+_160988.html.
[8].DPA425R datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/DPA425R+_2526990.html.