基于DPASwitch的反激式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)

1、研 究 生 課 程 論 文(2013-2014學(xué)年第一學(xué)期)基于DPA-Switch的反激式開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)研究生： 汪玉明提交日期： 2014年2月 20日 研究生簽名： 學(xué) 號(hào)201321013193學(xué) 院自動(dòng)化科學(xué)與工程學(xué)院課程編號(hào)Z0811026課程名稱(chēng)電力電子課程實(shí)踐學(xué)位類(lèi)別碩士任課教師王孝洪教師評(píng)語(yǔ)： 成績(jī)?cè)u(píng)定： 分 任課教師簽名： 年 月 日 基于DPA-Switch的反激式開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì) 摘要 十多年來(lái)，分布式電源架構(gòu)(DPA)已被廣泛應(yīng)用， 而且在高密度電源模塊出來(lái)以后，它的優(yōu)點(diǎn)更能充份的發(fā)揮。在工控，軍工及醫(yī)療儀器方面都得到了充分的利用。分布式電源結(jié)構(gòu)已成為電源的主流架構(gòu)。DPA

2、-Switch是新一代的高集成度、高壓DC-DC轉(zhuǎn)化芯片,其電路簡(jiǎn)單,不僅具有分立元器件開(kāi)關(guān)電源極為靈活的優(yōu)勢(shì),而且可以提高DC-DC變換器的可靠性,并能降低成本。本文介紹了該系列集成控制器的原理及其在DC-DC反激變換器中的應(yīng)用,并設(shè)計(jì)了一個(gè)單端反激式多路輸出開(kāi)關(guān)電源,簡(jiǎn)要介紹了變壓器的繞制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該電源運(yùn)行可靠,輸出穩(wěn)定。關(guān)鍵詞 DPA-Switch；單端反激；DC-DC變換器；多路輸出第一章 DPA整體原理簡(jiǎn)介分布式電源是非集中的電源結(jié)構(gòu)，通常是由一個(gè)在AC市電端的AC-DC轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，給放在別處的DC-DC轉(zhuǎn)換器供電。該AC-DC轉(zhuǎn)換器提供一個(gè)中轉(zhuǎn)總線(xiàn)電壓，通常為48V，以及穩(wěn)壓

3、、隔離、噪聲消除和功率因素校正等功能。圖1-1 分布式電源結(jié)構(gòu)圖該中轉(zhuǎn)電壓由靠近負(fù)載端的DC-DC轉(zhuǎn)換器傳給負(fù)載。一般在通信系統(tǒng)中是在48V總線(xiàn)上分布功率，板上的隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器匹配負(fù)載的需要。這有助于動(dòng)態(tài)響應(yīng)及去除系統(tǒng)上的分布電壓等問(wèn)題。分布式手段能分散系統(tǒng)熱能，大大減少或去除所需的散熱器或高速風(fēng)流。整體系統(tǒng)溫度保持均散平穩(wěn)，較易符合可靠性指標(biāo)。DPA開(kāi)關(guān)電源系列為PI公司生產(chǎn)的專(zhuān)用于電信部門(mén)配電系統(tǒng)的高集成度DC-DC變換器。根據(jù)各國(guó)現(xiàn)有電信系統(tǒng)供電標(biāo)準(zhǔn)大多為24V、48V和64V，因此該變換器輸入電壓設(shè)定為16-75V直流電壓。DPA系列的應(yīng)用特點(diǎn)如下: PoE應(yīng)用、VoIP電話(huà)、

4、WLAN、及安全用攝像頭； 電信中央辦公設(shè)備：xDSL、ISDN、PABX； 功率配電（24 V/48 V總線(xiàn)）； 工業(yè)控制。DPA-Switch與TOPSwitch®使用了相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將功率MOSFET、PWM控制器、故障保護(hù)及其它控制電路高效集成在一個(gè)單片CMOS芯片上。使用者可以通過(guò)對(duì)三個(gè)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。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(duì)容差，從而簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)并降低了系統(tǒng)成本。DPA423-426功能框圖的描述：圖1-2 功能結(jié)構(gòu)框圖主要包括200V的高頻功率MOSFET、PWM控制器、高

5、頻振蕩器、高壓?jiǎn)?dòng)偏置電路、基準(zhǔn)電壓、誤差放大器、用于環(huán)路補(bǔ)償?shù)牟⒙?lián)偏置調(diào)整器以及各種保護(hù)電路等引腳功能描述漏極(D)引腳：高壓功率MOSFET的漏極輸出點(diǎn)。此引腳經(jīng)過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)的高壓電流源給芯片內(nèi)部提供開(kāi)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(cè)點(diǎn)?？刂?C)引腳：誤差放大器及用來(lái)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(lái)連接供電去耦及自動(dòng)重啟動(dòng)補(bǔ)償?shù)碾娙?。線(xiàn)電壓檢測(cè)(L)引腳：過(guò)壓(OV)、欠壓（UV）鎖存、降低DCMAX的線(xiàn)電壓前饋、遠(yuǎn)程開(kāi)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。外部流限設(shè)定(X)引腳：

6、外部流限調(diào)節(jié)和遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)控制引腳。連接至源極引腳則禁用此引腳的所有功能。頻率(F)引腳：選擇開(kāi)關(guān)頻率的輸入引腳：如果連接到源極引腳則開(kāi)關(guān)頻率為400 kHz，連接到控制引腳則開(kāi)關(guān)頻率為300 kHz。源極(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(jí)控制電路的公共點(diǎn)及參考點(diǎn)。第二章 DPA-Switch 反激式開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)2.1 DPA-Switch單端反激式開(kāi)關(guān)電源電路傳統(tǒng)的單端反激式開(kāi)關(guān)電源一般由PWM控制芯片(如UC3843)和功率開(kāi)關(guān)管(如MOSFET)組成,電路的控制環(huán)路設(shè)計(jì)復(fù)雜,容易造成系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。隨著PI公司生產(chǎn)的DPA-Switch為代表的新一代

7、單片開(kāi)關(guān)電源的問(wèn)世,以上諸多問(wèn)題都得到了很好的解決。圖1-3是典型的DPA-Switch單端反激式開(kāi)關(guān)電源電路。根據(jù)電路的要求可選擇不同的反饋電路,其中變壓器具有能量存儲(chǔ)、原副邊隔離和電壓轉(zhuǎn)換三種作用。圖1-3 典型的DPA-Switch單端反激式開(kāi)關(guān)電源電路2.2 開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)是為IGBT的驅(qū)動(dòng)電路提供電源。開(kāi)關(guān)電源的技術(shù)指標(biāo)：輸入電壓24V(18V30V)。多路輸出：其中一路輸出5V/0.5A,用來(lái)給驅(qū)動(dòng)板上的邏輯器件供電；一路輸出+15V/0.1A、-9V/0.1A，用來(lái)給下橋臂的兩個(gè)IGBT供電；兩路輸出+15V/0.05A、-9V/0.05A，分別用來(lái)給上橋臂的兩個(gè)IGBT供電

8、,輸出功率7.3W。要求整個(gè)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠。圖1-4為此開(kāi)關(guān)電源的主電路圖。圖1-4 開(kāi)關(guān)電源主電路圖2.3 芯片和電路結(jié)構(gòu)選擇根據(jù)開(kāi)關(guān)電源的輸出功率,參照芯片的最大輸出功率、散熱等因素,本設(shè)計(jì)選擇DPA424GN,其最大輸出功率11W。電路結(jié)構(gòu)選用反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),開(kāi)關(guān)頻率選擇400kHz。穩(wěn)壓管D1箝位漏極電壓,保護(hù)DPA-Switch芯片內(nèi)的MOSFET,實(shí)驗(yàn)中D1選取SMBJ150A,C1、R1作為漏極的吸收電路。R2為輸入電壓檢測(cè)電阻,設(shè)定輸入欠/過(guò)壓,使最大占空比隨輸入電壓線(xiàn)性減小,防止在瞬態(tài)負(fù)載時(shí)磁芯出現(xiàn)飽和。旁路電容C2應(yīng)接近用芯片的C腳,提供必要的峰值電流驅(qū)動(dòng)DPA-S

9、witch芯片內(nèi)的MOSFET,R3、C3提供環(huán)路補(bǔ)償。偏置繞組的輸出整流二極管選用1N4148,其他繞組輸出整流二極管選用SB2100。反饋電路利用光耦PC817A和一個(gè)齊納二極管1N4728A對(duì)輸出電壓5V進(jìn)行反饋。通過(guò)對(duì)輸出電壓采樣,使電源具有很好的穩(wěn)壓功能。2.4 反激變壓器設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中開(kāi)關(guān)電源是一個(gè)具有多路輸出的直流電源，由高頻變壓器多個(gè)二次繞組經(jīng)整流濾波后獲得，因此開(kāi)關(guān)電源的性能在很大程度上取決于變壓器的設(shè)計(jì)。由于在反激電源中，反激變壓器主要承擔(dān)儲(chǔ)能的作用,所以在設(shè)計(jì)中特別關(guān)注原邊電感量這個(gè)重要參數(shù)。由于輸出多路所需變壓器的管腿較多，故采用了ER28的變壓器磁芯,而沒(méi)有用計(jì)算出的E

10、FD20磁芯。變壓器原邊電感量為50.5LH，原邊匝數(shù)12匝，副邊匝數(shù)：5匝(5V)、11匝(15V)、8匝(-9V),偏置繞組匝數(shù)10匝。在變壓器的繞制中應(yīng)該注意兩點(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(xiàn)圈的平均每匝長(zhǎng)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，可以被變壓器的其它繞組所屏蔽,從而減少變壓器與其它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)該繞組與其它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(jí)漏感

11、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。第三章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果根據(jù)以上設(shè)計(jì),試制了一個(gè)基于DPA424GN的單端反激式多路輸出開(kāi)關(guān)電源,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。在搭好實(shí)驗(yàn)電路后,斷開(kāi)芯片控制端的反饋電路,進(jìn)行自動(dòng)重啟實(shí)驗(yàn)。圖1-5為自動(dòng)重啟實(shí)驗(yàn)波形,通道1為控制端電壓波形,通道2為漏極電壓波形。圖1-5 自動(dòng)重啟實(shí)驗(yàn)波形從圖中可以看出,控制端電壓UC保持在4.8V5.8V之間,這是由于外部電流無(wú)法流入控制端,芯片內(nèi)部帶遲滯的電源欠壓比較器通過(guò)使高壓電流源通斷來(lái)保持UC值處在4.8V到5.8V的區(qū)域內(nèi)所形成的。這種充放電過(guò)程經(jīng)過(guò)8個(gè)周期后芯片將重啟一次,通過(guò)將自動(dòng)重啟動(dòng)的占空比減到典型值

12、4%,可有效地限制DPA-Switch芯片的功耗。自動(dòng)重啟動(dòng)模式將不斷循環(huán)工作直到輸出電壓穩(wěn)壓,并通過(guò)閉合反饋環(huán)路重新進(jìn)入受控狀態(tài)為止。圖1-6為上電啟動(dòng)后正常工作過(guò)程的波形,通道3為控制端電壓波形,通道4為漏極電壓波形。圖1-6上電啟動(dòng)后正常工作過(guò)程波形圖1-7為輸出5V電壓波形,圖7為其中一路+15V,-9V電壓波形,通道5為+15V電壓波形,通道6為-9V電壓波形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明輸出電壓紋波在10%以?xún)?nèi),滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。圖1-7 輸出5V電壓波形 結(jié) 論本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)DPA系列芯片有了了解，特別是對(duì)其工作原理進(jìn)行深入的分析。然后再結(jié)合設(shè)計(jì)電路，運(yùn)用芯片的功能。實(shí)驗(yàn)電路簡(jiǎn)化了復(fù)雜的控制和保

13、護(hù)電路,提高了可靠性和電磁兼容能力。采用DPA-Switch系列芯片進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)具有周期短、成本低等特點(diǎn)。 本次課程論文的提交意味著一學(xué)期的電力電子設(shè)計(jì)課程的結(jié)束。這里特別感謝王孝洪老師一學(xué)期的精彩教授和悉心指導(dǎo)，讓我明確了研究方向。還要感謝我的室友們，也在學(xué)習(xí)的過(guò)程中給我很大的幫助和鼓勵(lì)，黎志偉、張亮。 參考文獻(xiàn) 1 倪海東,高峰.DPA-Switch系列集成控制器在小功率DC-DC變換器中的應(yīng)用2 PowerIntegrations,Ine.DesignExampleReport20.3 PowerInterrations,Inc.DesignIdea52.4 王 正,朱興動(dòng),張六弢.UC3843控制多路輸出開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)