双路输出DC/DC

1万 · 2014-10-18 23:39

1 前言
电源是一切电子设备的心脏部分，其质量的好坏直接影响电子设备的可靠性。目前各种高效便携式电子产品发展趋于小型化，要求供电系统体积更小、重量更轻、效率更高。目前DC-DC转换器普遍应用于电池供电的设备和要求省电的紧凑型电子设备中。应用DC-DC转换器的目的是进行电压转换，给一些器件提供合适的工作电压，保证有较高的系统效率和较小的体积。

POWER INTEGRATION（PI）公司推出的DPA Switch系列高电压DC-DC转换电路，将功率MOSFET、PWM控制器、故障保护及其他控制电路高效集成在一个单片CMOS芯片上，大大减少了电源的器件数目，降低了成本，减小了开关电源的体积和重量，简化了设计，缩短了研制生产周期，可以通过对引脚不同的配置实现高性能的设计。它同时还具备迟滞热关断的保护特性，提高了开关电源的效率和可靠性。此外，所有关键参数（比如限流点、频率、PWM增益）都具有严格的温度及绝对容差，从而简化了设计并降低了系统成本。本文以DPA422主控芯片设计了双路输出DC/DC变换器，其全部元器件约40个。

1万 · 2014-10-18 23:40

2 DPA-Switch单片开关电源

图1是DPA-Switch的内部结构框图，主要由高压电流源、5.8 V并联调整器、软启动电路、内部欠压比较器、电流限制调整电路、电流限制比较器、输入线欠压和过压检测电路、振荡器、过温保护电路、前沿消隐、功率MOSFET等模块构成。其引脚功能见下：

（1）漏极DRAIN（D）引脚

这一引脚是高压功率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。

1万 · 2014-10-18 23:41

（2）控制CONTROL（C）引脚

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LINE-SENSE（L）引脚

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EXTERNAL CURRENTLIMIT（X）引脚

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。

1万 · 2014-10-18 23:41

（5）频率FREQUENCY（F）引脚

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SOURCE（S）引脚

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。

1万 · 2014-10-18 23:43

图1 功能结构框图

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3.1 电路原理图

图2所示的电路为使用DPA422的双路输出反激式转换器原理图。对于输入输出要求隔离的应用，此设计简单、元件数目少，工作频率高，高频开关变压器尺寸小，因此该变换器设计大小为31 mm×32 mm（样机见图3），实现小型化设计。在22~32 V的直流输入电压范围内，此设计可输出±5 V、2.5 W的功率，在27 V输入时的效率大于75％。电阻R1、R2确定了输入欠压及过压的保护阈值，分别为20 V和56 V。初级侧的稳压箝位二极管VR1可以确保在输入浪涌及过压情况下U1峰值漏极电压低于220 V BVDSS的额定值。初级偏置绕组在启动后给控制引脚提供电流。二极管D2对偏置绕组电压进行整流，而C6用于减低高频开关噪声的影响，防止偏置电压的峰值充电发生。电容C2给U1提供去耦，因此要尽可能靠近控制引脚和源极引脚来放置。C3完成开机时能量的存储及自动重启动的定时。滤波电感L3为输入提供一定的滤波作用。

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图2 开关电源的原理图

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以+5 V输出作为主路输出，次级+5 V由肖特基二极管D4整流，-5 V由肖特基二极管D3整流，经低ESR的钽电容C7~C10滤波，从而降低开关纹波并使效率最大化。使用一个很小的次级输出电感L1、L2和陶瓷输出电容C13/C14就足以在满载时将峰峰值的高频噪音及纹波抑制到小于30 mV以下。输出电压+5 V由R8和R9构成的电压分压器进行检测，连接至2.5 V的电压参考U3。反馈补偿由R6、R7、R10、C11、C3和R3完成。电容C15作为软启动结束电容，防止开机期间输出端出现过冲。由R5、C5以及R4、C4组成的RC网络为吸收电路。为保证输出电压调整率，输出电压-5 V在输出整流后增加三端稳压管79L05（因尺寸要求，这里使用79L05，为保证效率，可选用其他DC/DC转换电路）。

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3.2 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，也可根据反激式变压器设计方法进行设计。该设计中选择开关频率为400 kHz，目的是减小变压器体积，使整个电源小型化。

下面是变压器初级绕组设计参数：

最大占空比：Dmax＝0.65；

初级峰值电流：

1万 · 2014-10-18 23:46

传输功率：

初级电感量：

取L1=98 μH，峰值电流为IP＝0.36 A。

初次级匝比：

1万 · 2014-10-18 23:46

下面是变压器次级绕组设计参数：

次级绕组峰值电流：

次级绕组整流管最高反向峰值电压：

反馈绕组整流管最高反向峰值电压：

1万 · 2014-10-18 23:47

次级绕组匝数：

反馈绕组匝数：

UF1：次级绕组肖特基整流管正向压降；

UF2：反馈电路中高速开关整流管正向压降；

UDS(ON)：开关管导通电压。

1万 · 2014-10-18 23:47

另外，-5 V在本设计中输出因有79L05，故考虑其最小压差2.5 V，该路输出的绕组电压考虑7.5 V。在空间允许的情况下可采用非隔离DC/DC电路进行稳压，可适当增加其效率。

下面是变压器选择设计参数：

视在功率： PT＝P0+P0/η（η取0.98）

面积乘积：

KW：变压器窗口系数，一般取0.3；

J：电流密度，取5 A/mm2；

Kf：波形系数，取4；

则AP＝0.005 cm4。

1万 · 2014-10-18 23:47

根据AP查磁芯手册，磁芯选择EPC13（3F3材料）。

原边匝数：

因n＝5，取Ns1（+5 V）为6匝，于是Np=Ns1·n＝30，Ns2（-5 V）＝9，反馈绕组匝数：NF＝14。

为了避免磁芯饱和，在磁回路中加入一个适当的气隙，计算如下：

双路输出DC/DC

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