1、-研 究 生 課 程 論 文(2021-2021學年第一學期)基于DPA-Switch的反激式開關電源設計研究生： 汪玉明提交日期： 2021年2月 20日 研究生簽名： 學 號3學 院自動化科學與工程學院課程編號Z0811026課程名稱電力電子課程實踐學位類別碩士任課教師王孝洪教師評語：成績評定： 分 任課教師簽名： 年 月 日基于DPA-Switch的反激式開關電源設計摘要 十多年來，分布式電源架構(DPA)已被廣泛應用， 而且在高密度電源模塊出來以后，它的優點更能充份的發揮。在工控，軍工及醫療儀器方面都得到了充分的利用。分布式電源構造已成為電源的主流架構。DPA-Switch是新一代的高

2、集成度、高壓DC-DC轉化芯片,其電路簡單,不僅具有分立元器件開關電源極為靈活的優勢,而且可以提高DC-DC變換器的可靠性,并能降低本錢。本文介紹了該系列集成控制器的原理及其在DC-DC反激變換器中的應用,并設計了一個單端反激式多路輸出開關電源,簡要介紹了變壓器的繞制。實驗結果說明該電源運行可靠,輸出穩定。關鍵詞 DPA-Switch；單端反激；DC-DC變換器；多路輸出. z-第一章 DPA整體原理簡介分布式電源是非集中的電源構造，通常是由一個在AC市電端的AC-DC轉換器構成，給放在別處的DC-DC轉換器供電。該AC-DC轉換器提供一個中轉總線電壓，通常為48V，以及穩壓、隔離、噪聲消除和

3、功率因素校正等功能。圖1-1 分布式電源構造圖該中轉電壓由靠近負載端的DC-DC轉換器傳給負載。一般在通信系統中是在48V總線上分布功率，板上的隔離式DC-DC轉換器匹配負載的需要。這有助于動態響應及去除系統上的分布電壓等問題。分布式手段能分散系統熱能，大大減少或去除所需的散熱器或高速風流。整體系統溫度保持均散平穩，較易符合可靠性指標。DPA開關電源系列為PI公司生產的專用于電信部門配電系統的高集成度DC-DC變換器。根據各國現有電信系統供電標準大多為24V、48V和64V，因此該變換器輸入電壓設定為16-75V直流電壓。DPA系列的應用特點如下: PoE應用、VoIP、WLAN、及平安用攝像

4、頭； 電信中央辦公設備：*DSL、ISDN、PAB*； 功率配電24 V/48 V總線； 工業控制。DPA-Switch與TOPSwitch使用了一樣的拓撲構造，將功率MOSFET、PWM控制器、故障保護及其它控制電路高效集成在一個單片CMOS芯片上。使用者可以通過對三個引腳不同的配置實現高性能的設計，它同時還具備遲滯熱關斷的保護特性。此外，所有關鍵參數比方限流點、頻率、PWM增益都具有嚴格的溫度及絕對容差，從而簡化了設計并降低了系統本錢。DPA423-426功能框圖的描述：圖1-2 功能構造框圖主要包括200V的高頻功率MOSFET、PWM控制器、高頻振蕩器、高壓啟動偏置電路、基準電壓、誤差

5、放大器、用于環路補償的并聯偏置調整器以及各種保護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。此引腳經過一個開關的高壓電流源給芯片部提供開機偏置電流。同時該引腳也是漏極電流的限流點檢測點。控制(C)引腳：誤差放大器及用來控制占空比的反響電流的輸入引腳。局部流穩壓電路連接節點。在正常工作時提供部偏置電流。同時，它也用來連接供電去耦及自動重啟動補償的電容。線電壓檢測(L)引腳：過壓(OV)、欠壓UV鎖存、降低DCMA*的線電壓前饋、遠程開關和同步時使用的輸入引腳。連接至源極引腳則禁用此引腳的所有功能。外部流限設定(*)引腳：外部流限調節和遠程開關控制引腳。連接至源極引腳則禁用

6、此引腳的所有功能。頻率(F)引腳：選擇開關頻率的輸入引腳：如果連接到源極引腳則開關頻率為400 kHz，連接到控制引腳則開關頻率為300 kHz。源極(S)引腳：此引腳是輸出MOSFET的源極連接點，用于功率返回端。它也是初級控制電路的公共點及參考點。. z-第二章 DPA-Switch 反激式開關電源設計2.1 DPA-Switch單端反激式開關電源電路傳統的單端反激式開關電源一般由PWM控制芯片(如UC3843)和功率開關管(如MOSFET)組成,電路的控制環路設計復雜,容易造成系統工作不穩定。隨著PI公司生產的DPA-Switch為代表的新一代單片開關電源的問世,以上諸多問題都得到了很好

7、的解決。圖1-3是典型的DPA-Switch單端反激式開關電源電路。根據電路的要求可選擇不同的反響電路,其中變壓器具有能量存儲、原副邊隔離和電壓轉換三種作用。圖1-3 典型的DPA-Switch單端反激式開關電源電路2.2 開關電源設計本設計是為IGBT的驅動電路提供電源。開關電源的技術指標：輸入電壓24V(18V30V)。多路輸出：其中一路輸出5V/0.5A,用來給驅動板上的邏輯器件供電；一路輸出+15V/0.1A、-9V/0.1A，用來給下橋臂的兩個IGBT供電；兩路輸出+15V/0.05A、-9V/0.05A，分別用來給上橋臂的兩個IGBT供電,輸出功率7.3W。要求整個電路構造簡單、工

8、作可靠。圖1-4為此開關電源的主電路圖。圖1-4 開關電源主電路圖2.3 芯片和電路構造選擇根據開關電源的輸出功率,參照芯片的最大輸出功率、散熱等因素,本設計選擇DPA424GN,其最大輸出功率11W。電路構造選用反激式拓撲構造,開關頻率選擇400kHz。穩壓管D1箝位漏極電壓,保護DPA-Switch芯片的MOSFET,實驗中D1選取SMBJ150A,C1、R1作為漏極的吸收電路。R2為輸入電壓檢測電阻,設定輸入欠/過壓,使最大占空比隨輸入電壓線性減小,防止在瞬態負載時磁芯出現飽和。旁路電容C2應接近用芯片的C腳,提供必要的峰值電流驅動DPA-Switch芯片的MOSFET,R3、C3提供環

9、路補償。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。反響電路利用光耦PC817A和一個齊納二極管1N4728A對輸出電壓5V進展反響。通過對輸出電壓采樣,使電源具有很好的穩壓功能。2.4 反激變壓器設計本設計中開關電源是一個具有多路輸出的直流電源，由高頻變壓器多個二次繞組經整流濾波后獲得，因此開關電源的性能在很大程度上取決于變壓器的設計。由于在反激電源中，反激變壓器主要承擔儲能的作用,所以在設計中特別關注原邊電感量這個重要參數。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,而沒有用計算出的EFD20磁芯。變壓器原邊電感量為50.5LH，原

10、邊匝數12匝，副邊匝數：5匝(5V)、11匝(15V)、8匝(-9V),偏置繞組匝數10匝。在變壓器的繞制中應該注意兩點：(1)將變壓器的原邊繞組放在骨架的最層,可減少原邊線圈的平均每匝長度,從而減少原邊繞組的雜散電容。同時,由于原邊繞組在變壓器的最層，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。由于增強了與副邊繞組的耦合,輔助供電繞組上的電壓可以更準確地跟隨輸出電壓變化。同時由于減弱了與原邊繞組的耦合,可減少由于初級漏感尖峰而引起的偏置繞組電壓尖峰。這兩方面都增強了輸出電

11、壓調節性能。. z-第三章 實驗結果根據以上設計,試制了一個基于DPA424GN的單端反激式多路輸出開關電源,實驗結果如下。在搭好實驗電路后,斷開芯片控制端的反響電路,進展自動重啟實驗。圖1-5為自動重啟實驗波形,通道1為控制端電壓波形,通道2為漏極電壓波形。圖1-5 自動重啟實驗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法流入控制端,芯片部帶遲滯的電源欠壓比較器通過使高壓電流源通斷來保持UC值處在4.8V到5.8V的區域所形成的。這種充放電過程經過8個周期后芯片將重啟一次,通過將自動重啟動的占空比減到典型值4%,可有效地限制DPA-Switch芯片的功耗

12、。自動重啟動模式將不斷循環工作直到輸出電壓穩壓,并通過閉合反響環路重新進入受控狀態為止。圖1-6為上電啟動后正常工作過程的波形,通道3為控制端電壓波形,通道4為漏極電壓波形。圖1-6上電啟動后正常工作過程波形圖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。實驗結果說明輸出電壓紋波在10%以,滿足設計要求。圖1-7 輸出5V電壓波形 結 論本實驗設計過程中對DPA系列芯片有了了解，特別是對其工作原理進展深入的分析。然后再結合設計電路，運用芯片的功能。實驗電路簡化了復雜的控制和保護電路,提高了可靠性和電磁兼容能力。采用DPA-Switch系列芯片進展開關電源設計具有周期短、本錢低等特點。 本次課程論文的提交意味著一學期的電力電子設計課程的完畢。這里特別感王孝洪教師一學期的精彩教授和悉心指導，讓我明確了研究方向。還要感我的室友們，也在學習的過程中給我很大的幫助和鼓勵，黎志偉、亮。. z-參考文獻 1 倪,頂峰.DPA-Switch系列集成控制器在小功率DC-DC變換器中的應用2 PowerIntegrations,Ine.DesignE*ampleReport20.3 PowerInterrations,Inc.DesignIdea52.4 王 正,朱興動,六弢.UC3843控制多路輸