基于DPA-Switch DC/DC变换器的设计

贾丽超，刘云鹏

（1.中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032；2.沈阳中钞信达金融设备有限公司，沈阳110122）

·微机应用·

基于DPA-Switch DC/DC变换器的设计

贾丽超1，刘云鹏2

（1.中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032；2.沈阳中钞信达金融设备有限公司，沈阳110122）

开关电源以其高效率、低功耗等特点在各领域应用广泛。作为开关电源主要组成部分的DC/DC变换器，具有高精度，强隔离性和高稳定性等特点，是具有特殊功能的混合集成电路。DPASwitch系列产品是PI公司生产的高度集成DC/DC开关转换IC，其性能优越、设计灵活。简单介绍了DPA-Switch系列芯片的原理与主要功能，给出了三种基于该系列芯片DC/DC变换器的设计实例：单端反激式单路输出电路、单端正激式单路输出电路和单端反激式双路输出电路，包括电路原理图和测试所得的电性能指标，并对其工作原理进行了说明。

DPA-Switch芯片；DC/DC变换器；单端正激；单端反激；双路输出；交叉调整率

1 引言

随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们工作、生活的关系日益密切，而几乎所有电力电子设备都离不开可靠的电源。以往开关电源的设计通常采用控制电路与功率管相分离的拓扑结构，这种方案存在成本高、系统可靠性低等问题。DC/DC变换器作为开关电源的主要组成部分，在家用电器、工业控制、汽车电子等方面应用广泛[1]。DPA–Switch IC产品系列是高度集成的解决方案，适用于16V～75V直流输入的DC/DC转换器应用。它将MOSFET功率开关、PWM控制器、故障保护以及其他控制电路高效集成在一个CMOS芯片之内，且它所有的关键参数（限流点、频率、PWM增益）都具有严格的温度及绝对容差，从而简化了设计，降低了系统成本[2]。

2 DPA-Switch系列芯片简介

DPA-Switch系列芯片的几种封装形式及引脚排列见图 1，其中：P为 DIP-8，G为 SMD-8，R为TO-263-7C，S为MO-169-7C。需要注意的是，对于DPA426来说，只有S和R两种封装。

图1 DPA-Switch系列芯片的封装形式及引脚排列图

由图1可见，该系列芯片的引脚均等效于6端器件，分别为漏极引脚（D）、控制引脚(C)、线电压检测引脚（L）、外部流限设定引脚（X）、频率引脚（F）和源极引脚（S）。各引脚功能如下：

（1）漏极引脚（D）：高压功率MOSFET的漏极输出点。此引脚经过一个开关的高压电流源给芯片内部提供开机偏置电流。同时该引脚也是漏极电流的限流点检测点。

（2）控制引脚（C）：误差放大器及用来控制占空比的反馈电流的输入引脚。内部分流稳压电路连接节点。在正常工作时提供内部偏置电流。同时，它也用来连接供电去耦及自动重启动／补偿的电容。

（3）线电压检测引脚（L）：过压（OV）、欠压（UV）锁存、降低DCMAX的线电压前馈、远程开／关和同步时使用的输入引脚。连接至源极引脚则禁用此引脚的所有功能。

（4）外部流限设定引脚（X）：外部流限调节和远程开／关控制引脚。连接至源极引脚则禁用此引脚的所有功能。

（5）频率引脚（F）：选择开关频率的输入引脚：如果连接到源极引脚则开关频率为400 kHz，连接到控制引脚则开关频率为300 kHz。

（6）源极引脚（S）：此引脚是输出MOSFET的源极连接点，用于功率返回端。它也是初级控制电路的公共点及参考点[3]。

3 基于DPA-Switch芯片的DC/DC变换器设计

图2 单路输出单端反激DC/DC变换器原理图

应用DPA-Switch芯片作为主控芯片设计了几种DC/DC变换器，下面分别对这几种设计实例进行介绍和说明。图2为应用DPA425G芯片设计的一种单端反激式DC/DC变换器原理图，该变换器输入电压范围为18～36V，输出为单路5V/1A，输出功率为5W。

电路的工作原理是：L1、C1和C2构成输入端滤波器，隔离输入端的干扰；VI通过电阻R1与主控芯片U1，即DPA425G的X引脚相连，作用是利用输入电压设定极限电流，即限定变换器二次侧的总输出功率；U1漏极的箝位电压由D1提供，F引脚与控制引脚C相连，将开关频率设定为300kHz，L引脚通过R3与VI相连，以此来检测输入端电压，实现欠电压保护、过电压保护及线电压前馈功能。C4为去耦电容，D2和C5为U1供电，D3为输出整流二极管，EO1和EO2为输出滤波电容，L3和C10则构成低通滤波器，降低输出的高频噪声和纹波。输出电压经R15和R16分压后被采样，采样电压与可调式精密并联稳压器U3中的2.5V基准电压进行比较，产生误差电压，该误差电压反馈给线性光电耦合器U2，使U2的发光二极管工作电流发生变化，从而调节U2二次侧的电流，进而控制U1的控制端电流来改变U1的输出占空比，以达到稳定输出电压的目的。R9、R10、D5和C7构成软启动网络，防止变换器在上电时输出端出现过冲。C8、C9、R13、R14则可改善环路控制响应[4]。本设计中变压器选用EPC10-PC40型磁芯，初级、次级及供电绕组的匝数比NP:NS:NS2:NF为16:6:6:12[5-6]。

测试结果表明，该变换器的各项电性能优良，如表1所示。

表1 主要电性能（-40℃～85℃）

图2所示的单端反激式电路的原理是当变压器的初级线圈正好被直流电压激励时，变压器的次级线圈没有向负载提供功率输出，而仅在变压器初级线圈的激励电压被关断后才向负载提供功率输出[7]。它的优点是电路使用的元器件较少，成本较低。但要得到较大的输出功率，就不应该选用反激式电路结构，而应选用正激式电路结构。

图3为应用DPA424R芯片设计的一种正激式DC/DC变换器原理图，该变换器的输入电压范围为18V～36V，标称输入电压为 28V，输出为单路-15V/0.5A，输出功率为7.5W。

图3所示电路采用的是单端正激式结构，即初级主功率管与次级整流管的开关状态相同，同时导通或截止。此结构的特点是结构简单，可靠性高。图中U1为DPA424R主控芯片，U2为线性光电耦合器，U3为可调式精密并联稳压器，电路的原理与图2电路基本相同，此处不再赘述。本设计中变压器的磁芯型号为ER14.5-PC40型，初级、次级及供电绕组的匝数比NP:NS:NF为13:21:8。

该变换器的各电性能经测试如表2所示。

图3 单路单端正激DC/DC变换器原理图

表2 主要电性能（-40℃～85℃）

最后介绍一种双路输出的单端反激式DC/DC变换器，其原理图如图4所示。

对于多路输出的DC/DC变换器，最大的难点在于保证多路输出电压的平衡，使其具有较低的交叉调整率（多路输出DC/DC变换器的重要参数之一）。图4所示电路采用单片DPA426R芯片同时对两路输出进行控制，并通过以下两种方法来解决上述难点：（1）变压器两副边绕组采用相同线径，同等长度的铜线进行绕制，以使两绕组的磁感应强度相同，有利于输出电压的平衡[8]；（2）反馈回路中，对变换器的正路输出端和公共地端的电压同时进行采样，即误差电压同时反映正、负两路输出电压的变化，相当于对两路输出同时进行控制，这样有效地改善了两路输出电压的平衡，同时也提高了各输出电压的精度。此设计中变压器选用EFD15-PC40型磁芯，初级、次级及供电绕组的匝数比NP:NS:NF为14:15:12。测试结果证明，该种变换器除具有较低的交叉调整率之外，其它电性能也十分优良，详见表3。

图4 双路输出单端反激式DC/DC变换器原理图

表3 主要电性能（-40℃～85℃）

4 结束语

简要介绍了DPA-Switch系列芯片的基本原理和主要功能，应用不同型号DPA芯片设计了几种DC/DC变换器，并分别进行了说明。基于该系列芯片DC/DC变换器的设计，充分利用芯片各引脚功能，提供了外围电路的设计方法，包括输入滤波、输出整流和滤波电路的组成、变压器的相关参数，及软启动电路的构成；而对于双路输出DC/DC变换器，则给出了获得较小交叉调整率的解决方案。三款样品的测试结果表明，基于DPA-Switch系列芯片设计的DC/DC变换器不仅具有体积小、重量轻、成本低等特点，还具有输出稳定，纹波小，输出效率高等优良的电性能和高可靠性。

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[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，王彦朋，周万珍，等.单片开关电源最新应用技术[M].北京：机械工业出版社，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.电子工程师必备——元器件应用宝典[M].北京：人民邮电出版社，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.开关电源设计[M].北京：电子工业出版社，2010.Abraham I.Pressman,Keith Billings,Taylor Morey.Switching Power Supply Design[M].Beijing：Publishing House of Electronics Industry,2010.

[7]陈纯锴.开关电源原理、设计及实例[M].北京：电子工业出版社，2013.Chen Chunkai.Theory,Design and Example of Switching Power Supply[M].Beijing：Publishing House of Electronics Industry,2013.

[8]Sanjaya Maniktala.精通开关电源设计[M].北京：人民邮电出版社，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

贾丽超（1982—），女（满族），辽宁省开原市人，工程师，硕士研究生，主研方向：电子产品研制和开发。