低交叉调整率的双输出DC／DC变换器设计

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）

·微机网络与通信·

低交叉调整率的双输出DC／DC变换器设计

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）

开关电源在工业控制、家用电器、仪器仪表等领域的应用非常广泛。DPA－Switch系列产品是高度集成的解决方案，适用于16～75 VDC输入的DC／DC转换器应用。单端反激DC／DC变换器具有电路简单、体积小、成本低等优点。应用单片DPA426R芯片设计了一款具有低交叉调整率的单端反激双路输出DC／DC变换器，给出了电路原理图和主要电性能指标，介绍了改善两路输出电压平衡、降低交叉调整率的方法，对三种电压采样方式进行了说明。实验结果表明，该变换器不仅输出稳定，输出纹波小，效率高，而且具有较低的交叉调整率这一突出优点。

单片DPA426R；单端反激；双路输出；DC／DC变换器；电压采样；交叉调整率

1　引　言

开关电源在电力电子设备、工业自动化控制、军工设备、仪器仪表等领域应用广泛，在人们的生产、生活中具有重要作用。DC／DC变换器是开关电源的主要组成部分，反激式DC／DC变换器具有电路简单、体积小、成本低和效率高等优点，适合于小功率开关电源的设计［1］。本文应用单片DPA426R芯片设计了一款单端反激双路输出低交叉调整率的DC／DC变换器，并对其原理及实验结果进行了介绍。

2　单端反激式电路结构简介

图1　单端反激式电路原理图

3　低交叉调整率的单端反激双路输出DC／DC变换器

应用单片DPA426R芯片作为主控芯片，设计了一款低交叉调整率的单端反激双路输出DC／DC变换器。其输入电压范围为18V～36V，输出电压分别为15V／0．67A和－15V／0．67A，总输出功率为20W。图2为该变换器的电路原理图，下面对其进行说明。

图2　低交叉调整率的单端反激双路输出DC／DC变换器原理图

主控芯片U1的线电压检测引脚L，通过R3与输入端VI相接，用来检测输入端电压，从而实现欠电压保护、过电压保护及线电压前馈功能；外部流限设定引脚X，通过R1与VI相接，以利用输入电压来设定极限电流，且极限电流会随VI值的增高而降低，实际上也就是限定了变换器二次侧的总输出功率；频率引脚F与控制引脚C相连，设定开关频率为300KHz［4］。变换器的工作原理是：LI1、CI1和CI3组成输入端滤波器，D1为U1的漏极提供箝位电压，D4和C5为U1供电，C4、R5和EI1为U1提供去耦，D3和D6分别为正、负两路输出VO＋15和VO－15提供整流，EO1、L2和EO2，EO4、L3和EO5分别构成两路输出的π型滤波器，可降低各输出的高频噪声和纹波，R28和R29为假负载［5］。输出总电压VO＋15与VO－15之和经R16、输出负电压VO－15经R23共同与R17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，该误差电压控制线性光电耦合器U2，使U2的发光二极管工作电流发生变化，从而调节U2的二次侧电流，进而控制U1的控制端电流来改变U1的输出占空比，最终达到稳定输出电压的目的。R9、R10、D5和C7构成软启动网络，在变换器上电时抑制过大的启动电流并防止输出端出现过冲。C8、R13、C9、R14则可改善环路控制响应［6］。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［7－8］。

4　重点与难点

交叉调整率为双路输出DC／DC变换器的一个重要参数，用其中一路输出端负载发生跨步变化时，对另一路输出电压精度影响的百分比来表示。以本文双路输出DC／DC变换器的正路为例，交叉调整率是指：正路带半载输出，负路从半载输出变化到满载输出时，正路输出电压的相对变化量，其计算公式为：

式中VC＋为正路输出的交叉调整率，VO2为正路带半载、负路带满载时正路的输出电压，VO1为正路带半载、负路带半载时正路的输出电压，VO＋为正、负路均满载时正路的输出电压。对于电源使用者来说，除了要求每路输出都稳定之外，交叉调整率当然越低越好，即双路输出的电源，任何一路的负载发生变化，只要不超过规定的最大负载，对另一路输出的影响都尽可能小。这就需要在变换器的闭环控制回路中，对两路输出进行精确控制，以使两路输出的电压值不受其中一路负载变化的影响或影响尽可能小。如何获得尽可能低的交叉调整率是本设计的重点和难点。

图3　双路输出DC／DC变换器的三种输出电压采样方法

要想获得较低的交叉调整率，需要对输出进行精确控制，而对输出控制的精确程度又与闭环控制回路中电压采样的方法密切相关。在现有的正、负双路输出电源中，对输出电压的采样方法通常有两种，分别如图3中（a）和（b）所示。图（a）所示电路是对VO＋与VO－正负两路输出电压之和进行采样，这种方法只能确保总输出电压的稳定，而对输出电压中间点的地电平GO的波动却无能为力。以本文±15V输出为例，如果由于某种原因使正输出端的负载加重，同时使负输出端的负载减轻，则会使VO＋的值减小（如下降到14．5V），VO－的绝对值增加（如增加到15．5V），而总输出电压依然保持30V不变，这样控制回路仅从采样的总输出电压值来看，无法判断出VO＋与VO－的值已经因为各自负载的变化而发生变化，也就不会对电路进行相应的反馈调整。而实际上，正、负两路输出电压都已经发生较大偏差，从而使得图（a）所示电路的交叉调整率会比较大。图（b）所示电路是仅对VO＋采样，即只能确保VO＋的稳定，而VO－则处于开环不受控制的状态。一旦VO＋的负载发生较大变化，控制回路只能对VO＋进行控制，使其仍然稳定在15V左右，而VO－的值则因为不受闭环回路控制而发生很大变化，使得电路中负路输出的交叉调整率较大。事实上，用一个闭环回路同时控制两路输出电压的稳定确实是一件非常困难的事情。这也正是图（a）和图（b）所示电路交叉调整率较大的根本原因。

图（c）是一种更全面、更均衡的输出电压采样方案，它对正、负两路总输出电压和VO－同时进行采样，在确保VO－稳定的同时，兼顾总输出电压的稳定，而总输出电压中包含了VO＋，即它可以实现用一个闭环回路同时控制正、负两路输出电压的稳定。即使其中任何一路的负载发生较大变化（在规定负载范围内），闭环控制回路都会在稳定负载发生变化那路输出的同时，控制另一路的输出也保持稳定。这样两路各自的输出就不会因为其中一路负载的变化而较原来产生较大偏差，那么由前面的公式可知，图（c）所示电路的交叉调整率就会比较低。在本文DC／DC变换器的设计之中就采用了图（c）所示的采样方法。除此之外，在绕制变压器时，副边两绕组采用的是相同线径，同等长度的铜线进行并排绕制，以使两绕组的感应电压相同，内阻相同，从而保证了输出电压的平衡。

5　实验结果

经过多次实验证明，设计的单端反激双路输出DC／DC变换器在－40℃～85℃温度范围内，均具有优良的电性能，且输出稳定，交叉调整率低，如表1所示。

表1　主要电性能（－40℃～85℃）

6　结束语

介绍了一种低交叉调整率的单端反激双路输出DC／DC变换器设计，该设计实现了用一个闭环回路同时控制正、负两路输出电压的稳定。文中对双路输出DC／DC变换器输出电压的采样方法进行了说明和比较。该设计使单端反激双路输出DC／DC变换器，除了具有优良的电性能和高可靠性外，还具有较低的交叉调整率这一重要特性，为双路输出DC／DC变换器实现输出电压平衡提供了有益参考。

［1］周洁敏．开关电源理论及设计［M］．北京：北京航空航天大学出版社，2012．Zhou Jiemin．The theory and design of switching power supply［M］．Beijing：Beihang University press，2012．

［2］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．

［3］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．The theory，design and example of switching power supply［M］．Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2013．

［4］Power Integrations，Inc．DPASwtich Data Sheet［Z］．／2012．http：／／ac－dc．power．com／sites／default／files／product－docs／dpa_family_datasheet．pdf．

［5］王水平，王保保，贾静．单片开关电源集成电路应用设计实例［M］．北京：人民邮电出版社，2008．Wang Shuiping，Wang Baobao，Jia Jing．Applications and design example of single switching power supply［M］．Beijing：PT press，2008．

［6］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，et al．The newest application technology of single switching power supply［M］．Beijing：Publishing House of Mechanical Industry，2005．

［7］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．

［8］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．

Design of DC／DC Converter With Double－route Output Low Cross Regulation

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 is widely used in many fields such as industry control，household appliances and various instruments．The DPA－Switch series products，as an highly integrated solution，are applicable to DC／DC converter with DC voltage input range from 16V to 75V．The single－ended flyback DC／DC converter has the advantages of simple circuit，small volume and low cost，etc．A DC／DC converter with double－route output low cross regulation based on single DPA426R is designed in this paper．And the circuit diagram and main electrical properties are provided，the methods of improving the balance of the double－route output and reducing the cross regulation are introduced．The result of this experiment shows that the converter has many advantages of steady output，low voltage ripple，high efficiency as well as the lower cross regulation．

Single DPA426R；Ended flyback；Double－route output；DC／DC converter；Voltage sampling；Cross regulation

10．3969／j．issn．1002－2279．2016．05．006

TP29

B

1002－2279（2016）05－0021－04

当高速开关S闭合，变压器的初级线圈正好被直流电源VI激励时，变压器的次级线圈耦合电压被VD截止，没有向负载提供输出电压；而仅在高速开关S断开时，变压器初级线圈储存的电能才被耦合到次级

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。

2015－12－15线圈并向负载提供输出电压VO，这就是单端反激式电路的基本原理［2－3］，其电路原理图如图1所示。