基于DPA控制的单路输出DC/DC变换器设计

聂丹凤（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳　110032）



基于DPA控制的单路输出DC/DC变换器设计

聂丹凤
（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

摘 要：介绍了一款基于DPA控制的单路输出DC/DC变换器设计。该变换器的电气指标为输出5V/10W，通过主要技术指标要求，确定了设计参数，并采用PI公司生产的DPA425R作为主控芯片实现对工作脉冲宽度的调节，该芯片将变换器主控制芯片与功率MOS开关集成于一身，具有体积小、功能强的特点，进而设计出了结构框图和电路原理图等。成功解决了DC/DC变换器由体积、质量限制带来的矛盾，在保证纹波噪声、体积和重量等重要指标均满足要求的情况下仍具有较高的电源效率，并且具备了高稳定、高可靠的品质。

关键词：DC/DC变换器；DPA；单路输出；电源效率；高稳定；高可靠

1 引 言

国内研制和生产DC/DC变换器的厂家数量不少，但大多数厂家生产的产品品种较少，一般在几十种至几百种，与国外几千种的系列产品无法相比。在技术性能方面，国产变换器与国外产品相比主要差距表现在功率密度低，效率低，输入、输出与外壳这三者之间的任意两者隔离电压较低，国产变换器仅在价格上略占优势，以低价战略占领国内市场［1］。随着我国现代化水平的不断提高，电子装备制造领域对高性能DC/DC变换器提出了更高要求，诸如高频化、高功率密度、高可靠性、高效率，低噪声、多品种等，特别是政府提出扩大内需投资，更为电子装备的发展奠定了良好基础，这也大大提高了高性能DC/DC变换器的市场需求量［2］。

2004年PI公司推出了DPA系列单片DC/DC电源变换器，全系列产品10种型号及多种封装形式，具有价格低廉、性能优良、设计灵活等优点，能改善电源性能，降低成本，简化设计，适用于分布式电源、网路供电设备及24/48V工业控制电源［3］。下面介绍一款基于DPA控制器的单端反激电路拓扑结构的单路输出DC/DC变换器，其输入输出电压、电流能力如表1所示。

表1 输出电压、电流和功率

2 电路设计方案和主要电气性能指标

电路拓扑结构是否合理直接影响变换器的输出功率、输出纹波、效率、稳定性和可靠性等重要技术参数，当变换器的要求给定后，通过分析和实验，依据用户对电源性能的要求选定合理的电路拓扑结构，使变换器的性能达到最佳状态。在电路的拓扑结构确定之后，还要对电路结构进行优化设计，保证变换器的反馈回路有足够的相位裕度，形成一个稳定的反馈环。在保证稳定性的同时，还使电路具备良好的动态性能及拥有良好的温度稳定性、负载调整率和电压调整率［4］。该变换器采用单端反激电路拓扑结构，其组成原理框图如图1所示，主要电气性能指标如表2所示。

图1 变换器组成原理框图

由图1可知，输入电压经过输入滤波器，通过变压器一次侧将输入能量耦合到二次侧并整流和再次滤波后产生5V电压输出，从该输出提取反馈信号与比较放大器内部的基准电压比较放大后再经过光电隔离器和控制器DPA实现对脉冲宽度的调节，从而得到一个稳定的输出电压。

表2 主要电气性能指标

①输出为满载，输入电压UI从18V变换到36V；②UI为24V，被测输出从20%负载变换到满载；③UI为24V，输出满载示波器20M带宽限制；④输入端与输出端、外壳这三者中任意两者之间施加500V电压。

3 设计原理

变换器电路设计原理如图2所示。本设计变压器采用单端反激工作模式，总输出功率约为12W，变压器匝数比为N1：N2：N3 =16：13：6，一次侧主输入绕组N1的电感量约为28uH，漏感小于0.8uH。电路各部分功能如下，CI1、CI2和L1组成输入滤波器，用于滤除供电母线带来的干扰，同时阻止变换器自身产生的开关噪声污染供电母线；主控芯片U1采用PI公司的DPA425R［5］，该芯片将变换器主控制芯片与功率MOS开关集成于一身，具有体积小、功能强的特点；R1和R4为U1限定了一次侧最大输入功率，该功能实际上也限定了变压器二次侧的总输出功率；R3限定了U1的工作电压范围；D2和C5组成一次侧辅助电源为U1供电；线性光电耦合器U2［6］将二次侧的反馈控制信号经过C4、R5和EI1组成滤波网络后送入U1，实现对工作脉冲宽度的调节。

图2 变化器设计原理图

输出电压的稳压控制以U3为核心，采用TI公司的LM431［7］。输出电压经R16和R15分压，与U3内部基准电压比较后产生反馈控制信号，经U2反馈给一次侧，R13、C8和R14、C9分别用于改善反馈环路特性，R9、R10、D5和C7组成上电延时电路，使上电延时时间控制在几毫秒至几十毫秒的范围内。二次侧经双肖特基二极管堆D3整流和EO1、EO2、EO3、C10组成滤波电路输出+5V电压［8］。

4 关键技术

由于该变换器输出电压不高，输出电流较大，但对电源效率的要求较高，纹波噪声较低，因此，如何在规定的体积范围之内实现主要技术要求是本设计的关键技术。在该变换器的设计过程中采取了以下主要措施：

（1）变压器采用多绕组绕制方案，其中一次侧采用双绕组，二次侧采用三绕组，以便尽可能的降低铜耗，减小变压器发热量，提高变压器效率；

（2）二次侧采用双肖特基高速二极管堆整流，通过降低该二极管的管压降减少整流损耗，减小整流器的发热量，提高整流器效率；

（3）在二次侧整流器电路中，滤波电解电容器全部采用极低等效串联电阻的电解电容，滤波电感采用低内阻的高频功率型电感器，以便减小滤波器损耗，从而降低纹波噪声；

（4）精心布板，尽量增大一次侧和二次侧主功率通道的电路板铜箔宽度，减小电路板损耗，改善纹波特性；

（5）输出电压的采样电阻安排在输出端口处，以便减小负载调整率。

5 结束语

设计成功解决了DC/DC变换器由体积、质量限制带来的矛盾，确保了DC/DC变换器在体积小、质量轻的同时仍具有较高的电源效率，并且具备了高稳定、高可靠的品质。

参考文献：

［1］张建成.DC-DC电源变换器输出电压低端扩展及恒流保护法［J］.辽宁大学学报（自然科学版），2011，38 （1）：25-28.Zhang Jiancheng.Solution to DC-DC Coverter Output Lower Voltage Enlarge Scale Enlargement and Constant Current Protection［J］.Journal of Liaoning University （Natural Science Edition），2011，38（1）：25-28.

［2］何伟仁.实用电源电路设计手册［M］.北京：中国计量出版社，1990.He Weiren.Practical Power Circuit Design Manual［M］.Beijing：China Metrology Press，1990.

［3］沙占友，王彦朋，周万珍.单片开关电源最新应用技术（第2版）［M］.北京：机械工业出版社，2005.Sha Zhanyou，Wang Yanming，Zhou Wanzhen.Single-chip Switching Power Supply Applications with The Latest Technology Version 2［M］.Beijing：Mechanical Industry Press，2005.

［4］孙康，孙硕.一种低交叉调整率的四路输出DC/DC变换器设计［J］.微处理机，2014（6）：70-73.Sun Kang，Sun Suo.Design of Converter with 4-Rout Output DC-DC Low Cross Regulation［J］.Journal of Microprocessor，2014（6）：70-73.

［5］DPA425R.Management Team of Power Integrations，Power Contrller［DB/OL］.www.powerint.Com.

［6］NEC2703.Management Team of NEC，Optoelectronic Isolator［DB/OL］.www.national.com.

［7］LM431.Management Team of TI，Regulator Control ［DB/OL］.www.national.com.

［8］沙占有.同步整流式电源变化器的设计［J］.电气应用，2006，25（1）：28-31.Sha Zhanyou.The Design of Synchronous Rectifier and Its Application in DC/DC Coverter［J］.Electrotechnical Application，2006，25（1）：

Design of Single Channel Output DC/DC Converter Based on DPA Control

Nie Danfeng
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

Abstract：The Design of single channel output DC/DC converter based on the DPA control is described in this paper.The main technical specification，output 5V/10W，is referred to determine the design parameters.The main control chip，DPA425R from PI Company，is used to realize the adjustment for pulse width.The chip，integrated the main control chip of the converter and the power of MOS switch together，has the characteristics of small volume and strong power.And the composition diagram and the circuit principle diagram are designed accordingly，with high stability and reliability，which solves the problems of the volume and weight and keeps high efficiency in the required conditions of ripple noise，volume and weight.

Key words：DC/DC converter；DPA；Single channel output；Power Efficiency；High Stability；High Reliability

DOI：10.3969/j.issn.1002-2279.2016.02.024

中图分类号：TP29

文献标识码：B

文章编号：1002-2279（2016）02-0094-03

作者简介：聂丹凤（1983-），女，辽宁省沈阳市人，硕士，工程师，主研方向：电源设计。

收稿日期：2015-08-17