1引言單片開關(guān)電源集成電路具有高集成度、高性價(jià)比、外圍電路簡單等特點(diǎn)，可構(gòu)成高效率、無工頻變壓器的隔離式開關(guān)電源。單片開關(guān)電源在成本上與同等功率的線性穩(wěn)壓電源相當(dāng)，但其功率顯著提高，體積和重量減小近一半，具有良好的應(yīng)用前景。目前已有十大系列，100多種型號的產(chǎn)品。

2DpA-Switch單片開關(guān)電源

DpA-Switch系列定位于低功率的DC/DC應(yīng)用領(lǐng)域，集成了200V功率MOSFET和低壓控制電路。該系列器件除了具有傳統(tǒng)DC/DC轉(zhuǎn)換器的過溫保護(hù)、電流限制、前沿消隱、脈寬調(diào)

圖1DpA-Switch內(nèi)部功能模塊框圖

圖1DpA-Switch內(nèi)部功能模塊框圖上電時(shí)，漏極端（DRAIN）通過內(nèi)部高壓電流源供應(yīng)內(nèi)部偏置電流使系統(tǒng)啟動，其工作電壓范圍為16V~75V.控制端（CONTROL）通過控制電流來改變DpA-Switch的占空比。電壓檢測端（LINESENCE）為過壓OV、欠壓UV鎖定輸入引腳，用于同步和開/關(guān)控制。限流端（EXTERNALCURRENTLIMIT）控制限流點(diǎn)和開/關(guān)功能。源極端（SOURCE）作為電源參考點(diǎn)。選頻端（FREQUENCY）選擇300kHz或400kHz工作頻率。

通過控制端外接電容的充電過程實(shí)現(xiàn)電路的軟啟動。當(dāng)控制端電壓Vc達(dá)到5.8V時(shí)，內(nèi)部高壓電流源關(guān)閉，此時(shí)由反饋控制電流向Vc供電。在正常工作模式下，由外界電路構(gòu)成電壓負(fù)反饋控制環(huán)，調(diào)節(jié)輸出級MOSFET的占空比以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。當(dāng)控制端電壓低于4.8V時(shí)，MO上電時(shí)，漏極端（DRAIN）通過內(nèi)部高壓電流源供應(yīng)內(nèi)部偏置電流使系統(tǒng)啟動，其工作電壓范圍為16V~75V.控制端（CONTROL）通過控制電流來改變DpA-Switch的占空比。電壓檢測端（LINESENCE）為過壓OV、欠壓UV鎖定輸入引腳，用于同步和開/關(guān)控制。限流端（EXTERNALCURRENTLIMIT）控制限流點(diǎn)和開/關(guān)功能。源極端（SOURCE）作為電源參考點(diǎn)。選頻端（FREQUENCY）選擇300kHz或400kHz工作頻率。通過控制端外接電容的充電過程實(shí)現(xiàn)電路的軟啟動。當(dāng)控制端電壓Vc達(dá)到5.8V時(shí)，內(nèi)部高壓電流源關(guān)閉，此時(shí)由反饋控制電流向Vc供電。在正常工作模式下，由外界電路構(gòu)成電壓負(fù)反饋控制環(huán)，調(diào)節(jié)輸出級MOSFET的占空比以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。當(dāng)控制端電壓低于4.8V時(shí)，MOSFET關(guān)閉，控制電路處于小電流等待狀態(tài)，內(nèi)部高

圖2典型電壓波形

3IGBT變頻器用開關(guān)電源設(shè)計(jì)

本電源是為應(yīng)用在驅(qū)動異步電機(jī)的IGBT變頻器環(huán)境而設(shè)計(jì)的控制電源，其輸入電壓取自變頻器主回路直流母線電容電壓，輸出為多路獨(dú)立直流電壓。其中，主輸出15V用于驅(qū)動電路，±15V用于檢測及模擬回路，5V用于接口電路。

開關(guān)電源技術(shù)指標(biāo)：輸入直流電壓范圍為18V~40V;四路輸出設(shè)計(jì)：主輸出15V,輸出電流2.33A,功率35W;其他輔助輸出：5V隔離輸出，隔離輸出2路共地的15V和-15V,每一路的輸出電流為100mA,總輸出功率大于40W.圖3是典型DpASwitch單端正激式開關(guān)電源電路。

圖3典型DpA-Switch單端正激式開關(guān)電源電路

3.1器件選取

實(shí)際應(yīng)用中選用何種型號的DpA-Switch器件，要根據(jù)轉(zhuǎn)換器的最大輸出功率、效率、散熱以及成本等因素綜合考慮。簡便的方法是借助DpASwitch輸出功率和耗散功率關(guān)系表。本設(shè)計(jì)選擇DpA425R,其最大輸出功率70W,在輸出功率50W時(shí)，功耗為2.5W.

3.2電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

pIExpert電源設(shè)計(jì)軟件是pI公司開發(fā)的一種交互式軟件，可以針對相關(guān)的硬件，按照用戶提出的電源規(guī)范出現(xiàn)具體能量轉(zhuǎn)換方法。pIExpert可供應(yīng)一種直觀、分步的設(shè)計(jì)界面，用戶可分別設(shè)定變壓器、輸入電容參數(shù)和所用器件。

利用pIExpert軟件開發(fā)平臺，可以方便地選擇開關(guān)電源電路拓?fù)?、器件系列、器件封裝、工作頻率以及其他相關(guān)特性參數(shù)。

開關(guān)電源采用同步整流和正激變換，使得對低壓大電流的整流效率得到顯著提高。當(dāng)輸入電壓為24V時(shí)，電源效率經(jīng)pIExper

圖4主輸出系統(tǒng)電路框圖

3.3高頻變壓器設(shè)計(jì)

高頻變壓器設(shè)計(jì)是電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，可利用pIExpert專用軟件實(shí)現(xiàn)。

利用最大占空比DMAX=70%計(jì)算直流側(cè)原邊和主輸出次邊變壓器變比：

其中，VD為輸出整流器件的正向壓降；VO為主輸出電壓15V;VDS為DpA-Switch的漏源電壓降，取1V;R是考慮各種雜散損耗因素后的綜合系數(shù)，取0.95,計(jì)算出匝比是1.57.

計(jì)算出變壓器次級匝數(shù)，再估算初級匝數(shù)，使變壓器磁芯BM工作在1000Gs~1500Gs范圍，從而減小交流磁通密度對磁芯損耗的影響。

其中，Ae為變壓器磁芯有效面積。一般磁芯輸出功率和磁芯面積的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式：

pt為高頻變壓器輸入輸出平均值。通過對常用磁芯的特點(diǎn)比較，同時(shí)考慮漏磁、散熱、功率等相關(guān)因素，選用鐵氧體EI28型磁芯，Ae=1.21mm2,最大磁感應(yīng)強(qiáng)度BS=4000×10-4T.

根據(jù)式（1）和（2）可知，np≈4,ns≈6.其他路變壓器設(shè)計(jì)可按照如上步驟計(jì)算。

注意：在選擇繞組線徑時(shí)，必須考慮趨膚效應(yīng)和臨近效應(yīng)。繞線長度應(yīng)盡可能的短，否則繞組本身的阻性損耗將不可忽略。為減小損耗，應(yīng)盡可能減小變壓器的漏感，推薦初級繞組和次級繞組采用間繞方式。另外，繞制變壓器時(shí)無需留氣隙。

3.4輸出電感的選取

在最大輸入電壓VMAX下確定輸出電感，以保證電流持續(xù)性。假設(shè)電感峰-峰值紋波電流△f為最大負(fù)載電流的15%~20%.

計(jì)算出LO=121.58μH.

3.5DpA-Switch外圍電路設(shè)計(jì)

開關(guān)電源原理如圖5所示。由C1、C2、L1組成輸入EMI濾波部分。為防止DpA-Switch內(nèi)部開關(guān)管漏極電壓受初級漏感電流的影響而超出其額定值，在初級側(cè)新增箝位網(wǎng)絡(luò)，選SMBJ150起到24V限壓用途。R1設(shè)置器件的起始電壓，R2用于器件限流。C4吸收紋波，與DpA-Switch的CONTROL引腳相連的R3和C4一起構(gòu)成了反饋環(huán)路的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。D1、C5調(diào)整過濾偏壓。

圖5開關(guān)電源原理

3.6多路輸出電路設(shè)計(jì)

主輸出采用同步整流電路，使用無源的RC電路驅(qū)動MOSFET整流管，可以防止柵極過電壓的情況。同步整流管采用SI4804型功率MOSFET,其額定工作電流7.5A,最高反向工作電壓35V.C6通過R5對開關(guān)管充電，VR2限制開關(guān)管門極正向電壓，在其關(guān)斷時(shí)，通過C6釋放能量。R6保證在無開關(guān)信號下，開關(guān)管始終保持關(guān)斷。SL13保證變壓器重置。

鑒于開關(guān)頻率高，采用超快速恢復(fù)二極管作為阻塞二極管、輸出整流管和反饋電路的整流管。選取原則：額定工作電流至少是該路最大輸出電流的3倍；最高反向工作電壓必須高于所規(guī)定的最低耐壓值的2倍。因此，輔助輸出：V02（5V、0.14A、0.7W）選取Mbr745,額定工作電流7.5A,最高反向工作電壓為45V;V03（15V、0.14A、2.1W）和V04（-15V、0.14A、2.1W）選取UF4004,額定工作電流為1A,最高反向工作電壓為400V.

3.7光耦反饋電路設(shè)計(jì)反饋回路的穩(wěn)定性直接影響著開關(guān)電源的性能。光耦合器應(yīng)供應(yīng)給控制端足夠的電流，電流傳輸比（CTR）允許范圍是50%~200%,故選擇線性光耦CNY17-3,其CTR為100%~200%,反向激穿電壓70V.

反饋電路采用配TL431的精密光耦反饋電路。

R8和R9感應(yīng)輸出電壓，并將信號傳給TL431,C7減少TL431高頻增益。光耦通過R7與輸出連接，R7確定反饋電路增益。R11、C8、BAV19WS用于啟動時(shí)消抖。

在輔助輸出采用穩(wěn)壓管（如7805）,有助于提高輸出電壓線性度。

4應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)以上pIExpert電源軟件設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于DpA425R型控制電路和同步整流技術(shù)的開關(guān)電源模塊，系統(tǒng)原理電路圖如圖5所示。

5結(jié)束語

本文采用DpA-Switch設(shè)計(jì)DC/DC正激轉(zhuǎn)換器，簡化了復(fù)雜的控制和保護(hù)電路，電網(wǎng)適應(yīng)性強(qiáng)，工作范圍寬，具有輸出短路保護(hù)功能，模塊體積小，可直接設(shè)計(jì)在電機(jī)驅(qū)動控制板上，調(diào)試維護(hù)方便，功率一般40W左右即可。隨著pIExpert電源設(shè)計(jì)軟件的廣泛應(yīng)用，可滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期越來越短的要求。