双路输出DC/DC变换器小型化设计

最新更新时间:2014-07-08来源: 21IC关键字:DC/DC  变换器 手机看文章 扫描二维码
随时随地手机看文章

1 前言

电源是一切电子设备的心脏部分,其质量的好坏直接影响电子设备的可靠性。目前各种高效便携式电子产品发展趋于小型化,要求供电系统体积更小、重量更轻、效率更高。

POWER INTEGRATION(PI)公司推出的DPA Switch系列高电压DC-DC转换电路,将功率MOSFET、PWM控制器、故障保护及其他控制电路高效集成在一个单片CMOS芯片上,大大减少了电源的器件数目,降低了成本,减小了开关电源的体积和重量,简化了设计,缩短了研制生产周期,可以通过对引脚不同的配置实现高性能的设计。它同时还具备迟滞热关断的保护特性,提高了开关电源的效率和可靠性。此外,所有关键参数(比如限流点、频率、PWM增益)都具有严格的温度及绝对容差,从而简化了设计并降低了系统成本。本文以DPA422主控芯片设计了双路输出DC/DC变换器,其全部元器件约40个。

2 DPA-Switch单片开关电源

图1是DPA-Switch的内部结构框图,主要由高压电流源、5.8 V并联调整器、软启动电路、内部欠压比较器、电流限制调整电路、电流限制比较器、输入线欠压和过压检测电路、振荡器、过温保护电路、前沿消隐、功率MOSFET等模块构成。其引脚功能见下:

(1)漏极DRAIN(D)引脚

这一引脚是高压功率MOSFET的漏极输出点。此引脚经过一个开关的高压电流源给芯片内部提供开机偏置电流。同时该引脚也是漏极电流的限流点检测点。

(2)控制CONTROL(C)引脚

误差放大器及用来控制占空比的反馈电流的输入引脚。内部分流稳压电路连接节点。在正常工作时提供内部偏置电流。同时,它也用来连接供电去耦及自动重启动/补偿的电容。

(3)线电压检测LINE-SENSE(L)引脚

过压(OV)、欠压(UV)锁存、降低DCMAX的线电压前馈、远程开/关和同步时使用的输入引脚。连接至源极引脚则禁用此引脚的所有功能。

(4)外部流限设定EXTERNAL CURRENTLIMIT(X)引脚

外部流限调节和远程开/关控制引脚。连接至源极引脚则禁用此引脚的所有功能。

(5)频率FREQUENCY(F)引脚

选择开关频率的输入引脚,如果连接到源极引脚则开关频率为400 kHz,连接到控制引脚则开关频率为300 kHz.

(6)源极SOURCE(S)引脚

此引脚是输出MOSFET的源极连接点,用于功率返回端。它也是初级控制电路的公共点及参考点。

 

 

图1 功能结构框图

3 应用DPA422的开关电源设计

3.1 电路原理图

图2所示的电路为使用DPA422的双路输出反激式转换器原理图。对于输入输出要求隔离的应用,此设计简单、元件数目少,工作频率高,高频开关变压器尺寸小,因此该变换器设计大小为31 mm×32 mm(样机见图3),实现小型化设计。在22~32 V的直流输入电压范围内,此设计可输出±5 V、2.5 W的功率,在27 V输入时的效率大于75%.电阻R1、R2确定了输入欠压及过压的保护阈值,分别为20 V和56 V.初级侧的稳压箝位二极管VR1可以确保在输入浪涌及过压情况下U1峰值漏极电压低于220 V BVDSS的额定值。初级偏置绕组在启动后给控制引脚提供电流。二极管D2对偏置绕组电压进行整流,而C6用于减低高频开关噪声的影响,防止偏置电压的峰值充电发生。电容C2给U1提供去耦,因此要尽可能靠近控制引脚和源极引脚来放置。C3完成开机时能量的存储及自动重启动的定时。滤波电感L3为输入提供一定的滤波作用。

 

 

图2 开关电源的原理图

以+5 V输出作为主路输出,次级+5 V由肖特基二极管D4整流,-5 V由肖特基二极管D3整流,经低ESR的钽电容C7~C10滤波,从而降低开关纹波并使效率最大化。使用一个很小的次级输出电感L1、L2和陶瓷输出电容C13/C14就足以在满载时将峰峰值的高频噪音及纹波抑制到小于30 mV以下。输出电压+5 V由R8和R9构成的电压分压器进行检测,连接至2.5 V的电压参考U3.反馈补偿由R6、R7、R10、C11、C3和R3完成。电容C15作为软启动结束电容,防止开机期间输出端出现过冲。由R5、C5以及R4、C4组成的RC网络为吸收电路。为保证输出电压调整率,输出电压-5 V在输出整流后增加三端稳压管79L05(因尺寸要求,这里使用79L05,为保证效率,可选用其他DC/DC转换电路)。

3.2 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,也可根据反激式变压器设计方法进行设计。该设计中选择开关频率为400 kHz,目的是减小变压器体积,使整个电源小型化。

下面是变压器初级绕组设计参数:

最大占空比:Dmax=0.65;

~

初级峰值电流:

 

传输功率:

 

初级电感量:

 

取L1=98 μH,峰值电流为IP=0.36 A。

初次级匝比:

 

 

下面是变压器次级绕组设计参数:

次级绕组峰值电流:

次级绕组整流管最高反向峰值电压:

 

 

反馈绕组整流管最高反向峰值电压:

 

 

次级绕组匝数:

 

 

反馈绕组匝数:

 

UF1:次级绕组肖特基整流管正向压降;

UF2:反馈电路中高速开关整流管正向压降;

UDS(ON):开关管导通电压。

另外,-5 V在本设计中输出因有79L05,故考虑其最小压差2.5 V,该路输出的绕组电压考虑7.5 V。在空间允许的情况下可采用非隔离DC/DC电路进行稳压,可适当增加其效率。

下面是变压器选择设计参数:

视在功率: PT=P0+P0/η(η取0.98)

面积乘积:

 

KW:变压器窗口系数,一般取0.3;

J:电流密度,取5 A/mm2;

Kf:波形系数,取4;

则AP=0.005 cm4。

根据AP查磁芯手册,磁芯选择EPC13(3F3材料)。

原边匝数:

 

因n=5,取Ns1(+5 V)为6匝,于是Np=Ns1·n=30,Ns2(-5 V)=9,反馈绕组匝数:NF=14。

为了避免磁芯饱和,在磁回路中加入一个适当的气隙,计算如下:

 

 

在选择绕组线径时,考虑趋肤效应和临近效应,反馈绕组采用#31AWG线双线并绕。绕线长度尽可能短,为减小损耗,尽可能减小变压器的漏感,原边绕组和负边绕组采用间绕方式。在变压器的绕制中注意两点:(1)将变压器的原边绕组放在骨架的最内层,可减少原边线圈的平均每匝长度,从而减少原边绕组的杂散电容。同时,由于原边绕组在变压器的最内层,可以被变压器的其他绕组所屏蔽,从而减少变压器与其他邻近元件的噪声耦合。(2)将辅助供电绕组放在变压器的最外层,可增强该绕组与其他副边绕组的耦合而减弱与原边绕组的耦合。由于增强了与副边绕组的耦合,辅助供电绕组上的电压可以更准确地跟随输出电压变化。同时由于减弱了与原边绕组的耦合,可减少由于初级漏感尖峰而引起的偏置绕组电压尖峰。这两方面都增强了输出电压调节性能。

3.3 输出LC滤波器的选择

由输出电感和输出电容所组成的滤波器,在滤波器谐振频率点处的环路响应上具有两个极点。由于滤波器为损耗相当低的谐振电路,因而在接近谐振频率点处的增益和相位的变化相当突然。因此,用于调整环路响应的极点和零点应避开该频率区域或者对此谐振加以补偿。适当地选择输出滤波器的谐振频率点可以降低反馈环路设计的复杂性。谐振频率点的位置应允许设计者采用有限数目且数值合理的补偿元件来调整得到所需要的响应特性。输出电容的ESR具有一个零点,可以对滤波器的一个极点进行补偿。但是,对于低ESR的钽电解电容,通常其零点所对应的频率过高,在所希望的环路带宽内不能够充分地抵消滤波器的影响。在某些可以使用标准低ESR电解电容的情况下,较高的ESR使得ESR零点位于足够低的频率点上,从而增加了有效的附加相位裕量。 输出滤波电容为足够多的电容并联在一起使用最为合理。

4 实验结果

笔者通过对以上设计数据进行优化和微调,研制出符合设计要求的样机(如图3),常温条件下测试结果见表1.

 

 

图3 样机照片

表1 样机测试结果

 

 

4 结语

最后对开关电源进行了高低温实验,分别在-45 ℃和85 ℃的条件下考核,实验结果表明该电源可以在-45~85 ℃条件下正常工作,达到了设计要求,表明该电源运行可靠,输出稳定。

关键字:DC/DC  变换器 编辑:探路者 引用地址:双路输出DC/DC变换器小型化设计

上一篇:雅特生推出85W全稳压输出1/16砖直流/直流电源转换器
下一篇:凌力尔特推出转换器 LTC3124

推荐阅读最新更新时间:2023-10-12 22:42

ADC外围电路设计方法
在使用ADC芯片时,由于ADC的型号多样化,其性能各有局限性,所以为了使ADC能够适应现场需要以及满足后继电路的要求,必需对ADC的外围电路进行设计。ADC外围电路的设计通常包括模拟电路、数字电路和电源电路的设计。 1 模拟电路的设计 1.1 前置放大器电路的设计 市场上除了少数的ADC本身带有放大电路外,多数ADC都不具备此结构,而一般模/数转换系统的模拟输入信号是比较小的,因此通常需要使用模拟放大器,来提升输入电压。模拟放大器一般选用集成运算放大器、仪表放大器或隔离放大器等。使用模拟放大器时要着重考虑放大器的带宽和精度,当选择运算放大器时,其带宽和精度都应当优于所选择的ADC。 模拟放大器不仅能放大模拟输入信号
[模拟电子]
IDC:2013年智能手机出货排行榜,三星小幅下降
    根据IDC的最新统计数据,2013年全球智能手机出货量首次突破10亿大关,达到10.04亿部,相比2013年的7.253亿部大涨38.4%。值得一提的是,去年智能手机在全球手机出货量中的比重达到55.1%,首次超过功能手机。 具体到2013年第四季度,全球智能手机出货量为2.844亿部,比2012年增上了24.2%。其中 Samsung 智能手机出货量达到了8200万部,占据28.8%的份额,相比去年同期的29.1%有小幅下降,但相比第二名 Apple 的17.9%依然遥遥领先。 华为、LG、联想分列第三道第五位,三家公司表现都非常出色,相比2012年第四季度市场份额分别增长了56.5%、46.3%和53.2%。 2013
[手机便携]
同步整流降压DC/DC转换器XC9509特点/电路框图
     XC9509系列由一个降压DC/DC转换器和一个与DC/DC转换器的输出相并联的高速LDO电压调整器组成。同时也内置了一个电压检测器。因为电压调整器的输入是从电源输入,所以能适合多种应用。   DC/DC转换器内置了一个P-沟道驱动三极管和一个同步整流N-沟道开关三极管。外部使用一个电感, 一个二极管和两个电容,XC9509能够输出600mA电流,效率超过90%。XC9509能使用小型的陶瓷电容。   有三种开关频率的型号可供选择:300kHz,600kHz和1.2MHz。   DC/DC和VR的输出电压在0.9V~4.0V(±2.0%)范围内以0.1V间隔设定。VD的电压检测范围是0.9V~5.0V(±2.
[电源管理]
同步整流降压<font color='red'>DC</font>/<font color='red'>DC</font>转换器XC9509特点/电路框图
都是DC惹的“祸” 细说DC-DC转换器的抗干扰性
这里会详细讨论DC-DC转换器的抗干扰性这一主题,先简单聊聊DC-DC转换器,自从电子学诞生以来,就流传着一句老话…“所有问题都是DC问题。”   当然,DC指“直流”,即电路中穿过导体由A点至B点的单向电流。我们知道,这里所说的“问题”意思很简单,就是…问题。那么,为什么所有问题都是DC问题呢?   我们知道,电流和电子简单来说是完整电路系统中,各种导体和器件中的电流产生的能量。因此,归根结底是一种能量转换。能量是做功的能力,以两种形式存在:1)势能和2)动能。势能是一种非活动状态的蓄能 (如电池端子间的电压)。动能是势能转变为活动状态时产生的能量 (如电流穿过灯泡)。电子学简单来说是通过控制各种导体中的电流,将势能 (电压)
[电源管理]
都是<font color='red'>DC</font>惹的“祸” 细说<font color='red'>DC</font>-<font color='red'>DC</font>转换器的抗干扰性
外媒爆料苹果WWDC举办时间:6月4日-8日
对于苹果的粉丝而言,每年的WWDC大会和秋季发布会无疑是最值得关注的两次活动。虽然WWDC主要是面向开发者举办的活动,但苹果所带来的重大软件功能依然非常值得关注。今年WWDC的开幕时间虽然尚未正式公布,但根据媒体爆料,这场大会应该会在6月4日-8日举行。 据科技网站MacRumors报道,今年的WWDC依然会在圣何塞McEnery会议中心举行,时间是6月的第一周(4-8日)。考虑到该会议中心在当月的第二、第三和第四周都有其他活动安排,这个时间段就显得更加可信了。 苹果一般会选在4月份正式公布WWDC大会的召开日期,但去年是个例外。他们之所以在去年2月就提前公布了WWDC的召开日期,主要原因是举办地点的变化。在2003
[手机便携]
MSP430 5xx/6xx 以REFO或XT1为时钟源的DCO编程实例
当MSP430 5xx/6xx 系列外部接入32768Hz的低频晶振时,满足不了需要高速运行的应用。所以需要通过MCU内部的DCO(数字控制振荡器)和FLL(锁相环)将低速时钟32768Hz进行倍频,达到需要的目标频率。 DCO是一个集成的数字控制振荡器。DCO频率可以通过软件使用UCSCTL1.DCORSEL、UCSCTL0.DCO和UCSCTL0.MOD位进行调整。DCO频率可由FLL选择性地稳定到FLLREFCLK/n的多个倍频。FLL可以接受由UCSCTL3.SELREF位选择的不同参考时钟源。参考时钟源包括XT1CLK、REFOCLK或XT2CLK(如果可用)。n的值由UCSCTL3.FLLREFDIV位(n=1、2
[单片机]
MSP430 5xx/6xx 以REFO或XT1为时钟源的<font color='red'>DC</font>O编程实例
安森美半导体AC-DC LED通用照明方案
根据市场研究机构的预估,到2015年中国LED通用照明需求将达100亿美元,2020年将达220亿美元。LED照明逐步取代传统照明是大势所趋。不过,LED通用照明有许多挑战,如功率密度、功率因数校正(PFC)、空间受限和可靠性等。安森美半导体致力于为LED照明提供宽广阵容解决方案,推出各种符合最新LED照明标准的产品,包括用于通用照明的AC-DC LED驱动电源方案。     通用照明挑战及交流主电源供电LED驱动器拓扑     由于LED总光效要求及散热限制,能效对低功率应用尤其重要;许多情况下,即使是较低功率应用也要求功率因数校正和谐波处理;在空间受限应用中,特别是替代灯泡应用,要求有很高的驱动功率密度;总体电
[电源管理]
安森美半导体AC-<font color='red'>DC</font> LED通用照明方案
TI降压DC/DC:为手机提供快速打补丁功能
  “现在的手机功能变化迅速,同时又要求上市时间非常快。当手机已设计好后,需要增加一个新的功能怎么办?采用我们这种最新的超小超薄500mA降压DC/DC,可以快速为增加的功能供电,不需要重新设计整个板子,最大化降低系统设计难度,为手机厂商节约了时间。”德州仪器(TI)中国区高性能模拟产品业务开发经理张洪为说道。   TI这款专门针对第二组电压的最新降压DC/DC转换器TPS62601采用TI获得专利的LBC模拟工艺制造,具有非常低的静态电流,其芯片尺寸仅为0.9 毫米×1.3毫米芯片级封装。由于其典型工作静态电流仅为30μA,开关频率达到6MHz,所以外围组件非常少,仅需要使用一个0.6毫米高的0.47μH电感器以及两个低成
[电源管理]
小广播
最新电源管理文章
换一换 更多 相关热搜器件
电子工程世界版权所有 京B2-20211791 京ICP备10001474号-1 电信业务审批[2006]字第258号函 京公网安备 11010802033920号 Copyright © 2005-2024 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved