基于DPA-Switch的四路输出开关电源设计

1引言单片开关电源集成电路具有高集成度、高性价比、外围电路简单等特点，可构成高效率、无工频变压器的隔离式开关电源。单片开关电源在成本上与同等功率的线性稳压电源相当，但其功率显著提高，体积和重量减小近一半，具有良好的应用前景。目前已有十大系列，100多种型号的产品。

2DpA-Switch单片开关电源

DpA-Switch系列定位于低功率的DC/DC应用领域，集成了200V功率MOSFET和低压控制电路。该系列器件除了具有传统DC/DC转换器的过温保护、电流限制、前沿消隐、脉宽调

图1DpA-Switch内部功能模块框图

图1DpA-Switch内部功能模块框图上电时，漏极端（DRAIN）通过内部高压电流源供应内部偏置电流使系统启动，其工作电压范围为16V~75V.控制端（CONTROL）通过控制电流来改变DpA-Switch的占空比。电压检测端（LINESENCE）为过压OV、欠压UV锁定输入引脚，用于同步和开/关控制。限流端（EXTERNALCURRENTLIMIT）控制限流点和开/关功能。源极端（SOURCE）作为电源参考点。选频端（FREQUENCY）选择300kHz或400kHz工作频率。

通过控制端外接电容的充电过程实现电路的软启动。当控制端电压Vc达到5.8V时，内部高压电流源关闭，此时由反馈控制电流向Vc供电。在正常工作模式下，由外界电路构成电压负反馈控制环，调节输出级MOSFET的占空比以实现稳压。当控制端电压低于4.8V时，MO上电时，漏极端（DRAIN）通过内部高压电流源供应内部偏置电流使系统启动，其工作电压范围为16V~75V.控制端（CONTROL）通过控制电流来改变DpA-Switch的占空比。电压检测端（LINESENCE）为过压OV、欠压UV锁定输入引脚，用于同步和开/关控制。限流端（EXTERNALCURRENTLIMIT）控制限流点和开/关功能。源极端（SOURCE）作为电源参考点。选频端（FREQUENCY）选择300kHz或400kHz工作频率。通过控制端外接电容的充电过程实现电路的软启动。当控制端电压Vc达到5.8V时，内部高压电流源关闭，此时由反馈控制电流向Vc供电。在正常工作模式下，由外界电路构成电压负反馈控制环，调节输出级MOSFET的占空比以实现稳压。当控制端电压低于4.8V时，MOSFET关闭，控制电路处于小电流等待状态，内部高

图2典型电压波形

3IGBT变频器用开关电源设计

本电源是为应用在驱动异步电机的IGBT变频器环境而设计的控制电源，其输入电压取自变频器主回路直流母线电容电压，输出为多路独立直流电压。其中，主输出15V用于驱动电路，±15V用于检测及模拟回路，5V用于接口电路。

开关电源技术指标：输入直流电压范围为18V~40V;四路输出设计：主输出15V,输出电流2.33A,功率35W;其他辅助输出：5V隔离输出，隔离输出2路共地的15V和-15V,每一路的输出电流为100mA,总输出功率大于40W.图3是典型DpASwitch单端正激式开关电源电路。

图3典型DpA-Switch单端正激式开关电源电路

3.1器件选取

实际应用中选用何种型号的DpA-Switch器件，要根据转换器的最大输出功率、效率、散热以及成本等因素综合考虑。简便的方法是借助DpASwitch输出功率和耗散功率关系表。本设计选择DpA425R,其最大输出功率70W,在输出功率50W时，功耗为2.5W.

3.2电路结构设计

pIExpert电源设计软件是pI公司开发的一种交互式软件，可以针对相关的硬件，按照用户提出的电源规范出现具体能量转换方法。pIExpert可供应一种直观、分步的设计界面，用户可分别设定变压器、输入电容参数和所用器件。

利用pIExpert软件开发平台，可以方便地选择开关电源电路拓扑、器件系列、器件封装、工作频率以及其他相关特性参数。

开关电源采用同步整流和正激变换，使得对低压大电流的整流效率得到显著提高。当输入电压为24V时，电源效率经pIExper

图4主输出系统电路框图

3.3高频变压器设计

高频变压器设计是电源设计的关键，可利用pIExpert专用软件实现。

利用最大占空比DMAX=70%计算直流侧原边和主输出次边变压器变比：

其中，VD为输出整流器件的正向压降；VO为主输出电压15V;VDS为DpA-Switch的漏源电压降，取1V;R是考虑各种杂散损耗因素后的综合系数，取0.95,计算出匝比是1.57.

计算出变压器次级匝数，再估算初级匝数，使变压器磁芯BM工作在1000Gs~1500Gs范围，从而减小交流磁通密度对磁芯损耗的影响。

其中，Ae为变压器磁芯有效面积。一般磁芯输出功率和磁芯面积的相关经验公式：

pt为高频变压器输入输出平均值。通过对常用磁芯的特点比较，同时考虑漏磁、散热、功率等相关因素，选用铁氧体EI28型磁芯，Ae=1.21mm2,最大磁感应强度BS=4000×10-4T.

根据式（1）和（2）可知，np≈4,ns≈6.其他路变压器设计可按照如上步骤计算。

注意：在选择绕组线径时，必须考虑趋肤效应和临近效应。绕线长度应尽可能的短，否则绕组本身的阻性损耗将不可忽略。为减小损耗，应尽可能减小变压器的漏感，推荐初级绕组和次级绕组采用间绕方式。另外，绕制变压器时无需留气隙。

3.4输出电感的选取

在最大输入电压VMAX下确定输出电感，以保证电流持续性。假设电感峰-峰值纹波电流△f为最大负载电流的15%~20%.

计算出LO=121.58μH.

3.5DpA-Switch外围电路设计

开关电源原理如图5所示。由C1、C2、L1组成输入EMI滤波部分。为防止DpA-Switch内部开关管漏极电压受初级漏感电流的影响而超出其额定值，在初级侧新增箝位网络，选SMBJ150起到24V限压用途。R1设置器件的起始电压，R2用于器件限流。C4吸收纹波，与DpA-Switch的CONTROL引脚相连的R3和C4一起构成了反馈环路的补偿网络。D1、C5调整过滤偏压。

图5开关电源原理

3.6多路输出电路设计

主输出采用同步整流电路，使用无源的RC电路驱动MOSFET整流管，可以防止栅极过电压的情况。同步整流管采用SI4804型功率MOSFET,其额定工作电流7.5A,最高反向工作电压35V.C6通过R5对开关管充电，VR2限制开关管门极正向电压，在其关断时，通过C6释放能量。R6保证在无开关信号下，开关管始终保持关断。SL13保证变压器重置。

鉴于开关频率高，采用超快速恢复二极管作为阻塞二极管、输出整流管和反馈电路的整流管。选取原则：额定工作电流至少是该路最大输出电流的3倍；最高反向工作电压必须高于所规定的最低耐压值的2倍。因此，辅助输出：V02（5V、0.14A、0.7W）选取Mbr745,额定工作电流7.5A,最高反向工作电压为45V;V03（15V、0.14A、2.1W）和V04（-15V、0.14A、2.1W）选取UF4004,额定工作电流为1A,最高反向工作电压为400V.

3.7光耦反馈电路设计反馈回路的稳定性直接影响着开关电源的性能。光耦合器应供应给控制端足够的电流，电流传输比（CTR）允许范围是50%~200%,故选择线性光耦CNY17-3,其CTR为100%~200%,反向激穿电压70V.

反馈电路采用配TL431的精密光耦反馈电路。

R8和R9感应输出电压，并将信号传给TL431,C7减少TL431高频增益。光耦通过R7与输出连接，R7确定反馈电路增益。R11、C8、BAV19WS用于启动时消抖。

在辅助输出采用稳压管（如7805）,有助于提高输出电压线性度。

4应用实例

根据以上pIExpert电源软件设计和参数计算，设计了一个基于DpA425R型控制电路和同步整流技术的开关电源模块，系统原理电路图如图5所示。

5结束语

本文采用DpA-Switch设计DC/DC正激转换器，简化了复杂的控制和保护电路，电网适应性强，工作范围宽，具有输出短路保护功能，模块体积小，可直接设计在电机驱动控制板上，调试维护方便，功率一般40W左右即可。随着pIExpert电源设计软件的广泛应用，可满足产品设计周期越来越短的要求。