基于DPA425-Switch的多路输出开关稳压电源

1引言

开关电源自问世以来，就以其稳定，高效，节能等优良特性而成为稳压电源的主要产品。随着PWM技术的不断发展和完善，开关电源更是得到了广泛的应用，以往开关电源的设计通常采用控制电路与功率管相分离的拓扑结构，但这种方案存在成本高、系统可靠性低等问题。美国功率集成公司POWER开发的TOP- Switch 和DPA-Switch 系列新型智能高频开关电源集成芯片解决了这些问题，该系列芯片将自启动电路、功率开关管、PWM控制电路及保护电路等集成在一起，从而提高了电源的效率，简化了开关电源的设计和新产品的开发，更是因其高性价比、简单的外围电路、小体积与重量和无工频变压器隔离方式等优势而成为稳压电源中的佼佼者 。随着各种不同的单片开关电源芯片及其电路拓扑的应用和推广，被广泛地应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备中，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一环，单片开关电源越来越体现出巨大的实用价值和美好前景，使开关电源发展到一个新的时代。开关稳压电源有多种类型，其中单端反激式开关电源，由于线路简单，所需要的元器件少，而受到重视。

2开关电源结构和原理

本文以风力发电控制器中应用的电源为例介绍此设计方法的原理。

设计原理图如图1：

为了更加透彻的分析此设计的结构，原理，把原理图分为以下五个部分加以分析和设计：DPA部分，反馈部分，变压器部分，输出部分，其他部分。

电源的基本条件：输入电压范围48-60V，输出功率40W，输出电压为一路15V，三路20V。

图1基于DPA425，反激拓扑结构的多路输出稳压电源原理图

Fig.1 The schematic diagram of the multiplex output switchmode power supply basing on DPA425-Switch and flyback topological structure

[p] 2.1DPA部分

原理图中的接法是DPA的一种典型外围电路，其中S引脚作为公共端；F引脚是频率选择端，直接接到S端频率为400kHz，。必要时还可将开关频率选择端F改接控制端C，选择300kHz的半频方式，以进一步降低干扰；X为外部电流限制端，接电阻R1，R2限制内部驱动电流，随着输入电压的升高，增大R1将降低这种电流限制，防止输出的过电流，控制这个电流限制将降低变压器副边元件的应力值和漏感尖峰值，这就使得输出部分可以选择更低耐压值的整流二极管；D是DPA425内部MOSFET的漏极端，直接接电源的正极，L引脚是欠压过压保护端，接R3=619k是一个典型值，电压阀值为：欠压33V,过压86V；C引脚是控制端，启动后由变压器的偏执绕组经整流后供电，C2用于DPA本身的解耦，应该尽可能的靠近C引脚和S引脚，C3提供启动所需的能量和自重启动的时间。输入电压范围为16-75VDC，输出功率最大可达52W，满足此电源要求。

2.2变压器部分

在这个电源设计中，变压器设计是一个重点。虽然对于电源来说，各种保护也是很重要的，例如过电流保护、过电压保护及欠电压保护等，但这些已经都集成在了DPA芯片中，无须在外围搭设这些保护电路。

变压器的设计主要是选择磁芯材料，尺寸和形状；计算原副边的匝数，和匝比；选择合适的漆包线，主要是线径；计算气隙的大小；计算变压器的效率；选择合适的骨架等等 。根据AP法，软件法等计算磁芯的有效截面积，考虑一定的裕量，选择合适大小的磁芯。本设计中，选择铁氧体材料，EI型的磁芯，有效截面积Ae为91.2mm ，窗口面积Aw为150.1mm ，气隙为1.5mm。原副边匝数和匝比，根据原副边电压而定，漆包线选择国产线径为0.45。

S1为原边输入，24匝；S2为偏执绕组，5匝；S3为15V输出绕组，8匝；S4为20V的主输出绕组，8匝；S5为20V的辅输出绕组，9匝。偏执绕组电压经D2整流，C4滤波，R5分压限流后，C4正端接至PC817的4端，给其内部三级管提供正向偏执电压，使三级管导通，为DPA的C引脚供电，C4的负端接公共端。

2.3输出部分

多路输出开关电源广泛应用在各种复杂小功率电子系统中，就多路输出而言，通常只有输出电压低、输出电流变化范围大的一路作为主电路进行反馈调节控制，以保证在输入电压及负载变化时保持输出电压稳定，由于受变压器各个绕组间的漏感和绕组电阻等的影响，辅助输出电压随输出负载的变化而变化，通常，当主输出满载和辅助输出轻载时，辅助输出电压将升高，而当主输出轻载和辅助输出满时，辅助输出电压将降低。

基于上述对多路输出的描述，考虑在本设计中，20V的输出功率较大，取20V的一路作为主输出，即用于反馈的取样，其他三路作为辅输出，在主输出中，整流二极管采用快恢复二极管BYW29，并且由于主输出中二极管所要承受应力较大，需要性能较好的器件，C10，R10组成缓冲电路，有效降低输出纹波电压，并能防止D3在高频开关状态下产生自激振荡（振铃），辅输出中用BYV26C就可以满足要求，电解电容C8是滤波的作用，降低纹波，提高效率，L1和电容组成LC滤波，在输出端还可以并接瓷介电容，可降低高频噪音和纹波。由于辅输出中电压可能会波动，采用线性三端稳压器7815，LM317稳定输出电压，LM317的输出电压可以在1.2-37V之间调整，只需调整R11的电阻值，C9是在LM317离输入源较远时并接的，C11可以改善瞬态响应特性，这两个电容最好使用钽电解电容。对于线性三端稳压器，只有输入电压高于所要输出的电压值时才起作用，才能得到稳定的电压值，基于此就要求变压器的辅输出绕组要考虑裕量，即比预计的多绕出1-2匝数，使负载变化引起的电压波动不影响电源的输出电压稳定。

2.4反馈部分

反馈的目的就是使主输出电压稳定，R8和R9分压采样主输出电压，R8使用可调精密电阻，调节R8使可调式精密并联稳压器KA431的1端电压为2.5V；R6，R7起限流的作用，因为PC817的1，2端所允许通过的电流很小，要选择合适的R6，防止损坏元件；C7是频率补偿环节，有助于改善KA431的特性；C6起软启动的作用，防止启动时的输出过冲；PC817中当二极管导通时，电流成比例的驱动其内部三级管，只要4端有正电压足够三级管导通，PC817就能正常工作，这里PC817主要起隔离的作用。3端接至DPA的C端，这样就可以把采样的信号送入DPA，当主输出电压波动时，DPA将及时调整导通比，使输出电压保持不变。当输出电压升高时，KA431的1端电压将高于2.5V，KA431内部的晶体管将导通，使得流过PC817的1，2两端电流增大，成比例的三级管门极电流增大，导通的电流增大，使得流入C引脚的电流Ic增大，DPA内部的MOSFET的占空比将减小，使得的输出电压减小，使输出稳定到原值。反之当输出减小时，MOSFET的占空比将增大，输出将增大，也使输出稳定到原值。

[p] 2.5其他部分

D1采用P6KE10，D2采用BYV26，D1，D2起保护原边绕组的作用，防止瞬态电压过高损坏变压器，替代了价格较高的TVS（瞬态电压抑制器）。

C5称为“Y电容"，接在高压与地之间，能滤除初、次级耦合电容产生的共模干扰。

3实验结果

输出电压波形如图2,3所示,其中波形从上到下依次为：CH1，主20V输出；CH2，辅20V输出；CH4，15V输出，输入电压调整范围为33.5V-66V，负载变化调整范围为空载到大约50W，输出电压基本保持稳定不变，并且轻载时输出电压纹波很小，随着负载的增大，输出电压的纹波会增大，但并不影响其稳定，整套系统呈现出良好的稳定特性，电源效率为75%。

图 2 轻载时的电压输出波形 图 3 接近满载时的电压输出波形

4结论

DPA-Switch系列开关电源具有单片集成化、外围电路简单、性能指标最佳、无工频变压器、能完全实现电气隔离等显著特点，极大简化 100W以下开关电源的设计和新产品的开发，能大大缩短开关电源的开发周期。多路输出电源被广泛应用于电机控制系统和其他电力电子设备中作为辅助电源，本文设计的多路输出电源经实际应用证明是稳定，可靠的，稍加改动就可应用在其他控制系统和电路中。

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