基于DPA-Switch的四路输出开关电源设计

图2 典型电压波形

3 IGBT 变频器用开关电源设计　　

本电源是为应用在驱动异步电机的IGBT 变频器环境而设计的控制电源，其输入电压取自变频器主回路直流母线电容电压，输出为多路独立直流电压。其中，主输出15 V 用于驱动电路，±15 V 用于检测及模拟回路，5 V 用于接口电路。　

　开关电源技术指标： 输入直流电压范围为18V~40 V; 四路输出设计： 主输出15 V, 输出电流2.33A, 功率35 W; 其他辅助输出： 5 V 隔离输出，隔离输出2 路共地的15 V 和- 15V, 每一路的输出电流为100 mA, 总输出功率大于40 W.图3 是典型DPASwitch单端正激式开关电源电路。

图3 典型DPA- Switch 单端正激式开关电源电路

　3.1 器件选取　　

实际应用中选用何种型号的DPA- Switch 器件，要根据转换器的最大输出功率、效率、散热以及成本等因素综合考虑。简便的方法是借助DPASwitch输出功率和耗散功率关系表。本设计选择DPA425R, 其最大输出功率70 W, 在输出功率50 W时，功耗为2.5 W.　

　3.2 电路结构设计　　

PI Expert 电源设计软件是PI 公司开发的一种交互式软件，可以针对相关的硬件，按照用户提出的电源规范产生具体能量转换方案。PI Expert 可提供一种直观、分步的设计界面，用户可分别设定变压器、输入电容参数和所用器件。　　

利用PI Expert 软件开发平台，可以方便地选择开关电源电路拓扑、器件系列、器件封装、工作频率以及其他相关特性参数。　　

开关电源采用同步整流和正激变换，使得对低压大电流的整流效率得到显著提高。当输入电压为24 V 时，电源效率经PI Exper

3.3 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。

　　利用最大占空比DMAX=70%计算直流侧原边和主输出次边变压器变比：

　　其中，VD 为输出整流器件的正向压降； VO 为主输出电压15 V; VDS 为DPA- Switch 的漏源电压降，取1 V; R 是考虑各种杂散损耗因素后的综合系数，取0.95, 计算出匝比是1.57.

　　计算出变压器次级匝数，再估算初级匝数，使变压器磁芯BM 工作在1000 Gs~1500 Gs 范围，从而减小交流磁通密度对磁芯损耗的影响。

　　其中，Ae 为变压器磁芯有效面积。一般磁芯输出功率和磁芯面积的经验公式：

　　Pt 为高频变压器输入输出平均值。通过对常用磁芯的特点比较，同时考虑漏磁、散热、功率等相关因素，选用铁氧体EI28 型磁芯，Ae=1.21mm2, 最大磁感应强度BS=4000×10- 4T.

　　根据式（ 1） 和（ 2） 可知，np≈4, ns≈6.其他路变压器设计可按照如上步骤计算。

　　注意：在选择绕组线径时，必须考虑趋肤效应和临近效应。绕线长度应尽可能的短，否则绕组本身的阻性损耗将不可忽略。为减小损耗，应尽可能减小变压器的漏感，推荐初级绕组和次级绕组采用间绕方式。另外，绕制变压器时无需留气隙。

　　3.4 输出电感的选取

　　在最大输入电压VMAX 下确定输出电感，以保证电流连续性。假设电感峰- 峰值纹波电流△f 为最大负载电流的15%~20%.

　　计算出LO=121.58 μH.

　　3.5 DPA- Switch 外围电路设计

　　开关电源原理如图5 所示。由C1、C2、L1 组成输入EMI 滤波部分。为防止DPA- Switch 内部开关管漏极电压受初级漏感电流的影响而超出其额定值，在初级侧增加箝位网络，选SMBJ150 起到24 V限压作用。R1 设置器件的起始电压，R2 用于器件限流。C4 吸收纹波，与DPA- Switch 的CONTROL 引脚相连的R3 和C4 一起构成了反馈环路的补偿网络。D1、C5 调整过滤偏压。

图5 开关电源原理

　3.6 多路输出电路设计

　　主输出采用同步整流电路，使用无源的RC 电路驱动MOSFET 整流管，可以避免栅极过电压的情况。同步整流管采用SI4804 型功率MOSFET, 其额定工作电流7.5 A , 最高反向工作电压35 V.C6通过R5 对开关管充电，VR2 限制开关管门极正向电压，在其关断时，通过C6 释放能量。R6 保证在无开关信号下，开关管始终保持关断。SL13 保证变压器重置。

　　鉴于开关频率高，采用超快速恢复二极管作为阻塞二极管、输出整流管和反馈电路的整流管。选取原则： 额定工作电流至少是该路最大输出电流的3 倍； 最高反向工作电压必须高于所规定的最低耐压值的2 倍。因此，辅助输出： V02（ 5 V、0.14A、0.7 W） 选取MBR745, 额定工作电流7.5 A, 最高反向工作电压为45 V; V03 （ 15 V、0.14 A、2.1W） 和V04（ - 15 V、0.14 A、2.1 W） 选取UF4004, 额定工作电流为1 A, 最高反向工作电压为400 V.

　　3.7 光耦反馈电路设计反馈回路的稳定性直接影响着开关电源的性能。光耦合器应提供给控制端足够的电流，电流传输比（CTR） 允许范围是50%~200%, 故选择线性光耦CNY17- 3, 其CTR 为100%~200%, 反向激穿电压70 V.

　　反馈电路采用配TL431 的精密光耦反馈电路。

　　R8 和R9 感应输出电压，并将信号传给TL431, C7减少TL431 高频增益。光耦通过R7 与输出连接，R7确定反馈电路增益。R11、C8、BAV19WS 用于启动时消抖。

　　在辅助输出采用稳压管（ 如7805） , 有助于提高输出电压线性度。

　　4 应用实例

　　根据以上PI Expert 电源软件设计和参数计算，设计了一个基于DPA425R 型控制电路和同步整流技术的开关电源模块，系统原理电路图如图5 所示。

　　5 结束语

　　本文采用DPA- Switch 设计DC/DC 正激转换器，简化了复杂的控制和保护电路，电网适应性强，工作范围宽，具有输出短路保护功能，模块体积小，可直接设计在电机驱动控制板上，调试维护方便，功率一般40 W左右即可。随着PI Expert 电源设计软件的广泛应用，可满足产品设计周期越来越短的要求。