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[摘要]DPA-Switch系列芯片吸收了TOP和Tiny系列的技术特点，采用脉宽调制(PWM)和跳周期调制(PSM)相结合的新型调制方式来调节输出电压，并具有低功耗和高效率等突出优点。利用该系列芯片设计出一种小功率四路输出的开关电源，给出简化设计步骤和参数计算。
[关键词]脉宽调制 DPA-Switch 单端正激 高频变压器 同步整流装置
中图分类号：TN4 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2008）1120033－01
一、引言
单片开关电源集成电路具有高集成度、高性能价格比、简单外围电路等特点，能构成高效率无工频变压器的隔离式开关电源。单片开关电源在成本上与同等功率的线性稳压电源相当，但其电源功率显著提高，体积和重量减小近一半，展示了良好的应用前景，目前已形成了10大系列，100多种型号的产品。
二、DPA-Switch单片开关电源芯片
DPA-Switch系列定位于低功率的DC／DC应用领域，集成了200V功率MOSFET和低压控制电路。它除了具有普通DC／DC转换器的过温保护、电流限制、前沿消隐、脉宽调制等功能外，还包含了外部可编程电流限制调节、外部同步、远程通断等多种功能。DPA-Switch系列将多种功能集成于同一管脚，可使设计的外围元件数比典型分立DC-DC转换器减少近50个，同时各种功能又互不影响。
图1是DPA-Switch系列芯片内部功能框图，主要由高压电流源、5.8V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、输入线欠压和线过压感应电路、振荡器、过温保护电路、前沿消隐、功率MOSFET等模块构成。
上电时，漏极端（DRAIN）通过内部高电压电流源提供内部偏置电流使系统起动，其工作电压范围16～75V。控制端（CONTROL）通过控制电流来改变DPA-Switch的占空比。电压检测端（LINE-SENCE）为用户控制过压OV、欠压UV，同步和开/关控制使用。限流端（EXTERNAL CURRENT LIMIT）控制它的限流点和开/关功能。源极端（SOURCE）作为电源参考点。选频端（FREQUENCY）选择300KHZ或400KHZ工作。
通过控制端外接的电容充电过程来实现电路的软启动。当控制极电压Uc达到5.8V时，内部高压电流源关闭，此时由反馈控制电流向Uc供电。在正常工作阶段，由外界电路构成电压负反馈控制环，调节输出级MOSFET的占空比以实现稳压。当控制极电压低于4.8V时，MOSFET管关闭，控制电路处于小电流等待状态，内部高压电流源重新接通并向Uc充电，其关断/自动复位滞回比较器可使Uc保持在4.8V~5.8V之间。图2是芯片典型电压波形，其中（1）电源启动；（2）正常工作；（3）自启动；（4）电源关闭。在自动重启期间，占空比控制在4%左右可有效地限制芯片功耗。
三、典型应用
汽车逆变器控制器中开关电源技术指标：输入直流电压范围为18V到40V，四路输出设计：主输出15V，输出电流2.33A，功率35W。其它辅助输出：一路5V隔离输出，隔离输出两路共地的15V和－15V，每一路的输出电流100mA，总输出功率大于40W。
（一）芯片选取
实际应用中选用何种型号的DPA-Switch，应根据变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DPA-Switch输出功率和耗散功率关系表。本设计选择DPA425R，芯片最大功率输出70W，输出功率50W时，耗散功率2.5W。
（二）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芯片，按照使用者提出的电源规范产生具体能量转换方案。PI Expert提供一种直观的、分步的设计界面，让使用者分别设定变压器，输入电容参数和所用芯片。
利用PI Expert软件开发平台，可以方便的设计选择开关电源电路拓扑、芯片系列、芯片封装、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24V时，电源效率经PI Expert分析大于90%，选择开关频率300kHz。
（三）高频变压器设计
高频变压器设计是电源设计的关键，可在PI Expert专用设计软件的帮助下完成变压器设计。
用最大占空比计算直流侧原边和主输出次边变压器变比：
（1）
式（1）中，为输出整流器件的正向压降；为主输出电压15V；为DPA-Switch的漏源电压降，取1V；R是考虑各种杂散损耗的因素后综合系数，取0.95，计算结果匝比是1.57。
计算完变压器次级匝数，再估算初级匝数，使变压器磁芯 的工作在
1000～1500 GS范围，从而减小交流磁通密度对磁芯的损耗的影响。
式（2）中，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：
（3）
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， ，最大磁感应强度BS=4000×10-4T。
根据式（1）和（2）可知，。其他路变压器设计可按照如上步骤计算。
（四）DPA-Switch芯片周边电路设计
开关电源原理如图所示。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24V限压作用。R1设置芯片起始电压，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。
四、结语
本文采用的DPA-Switch设计DC-DC正激变换器简化了复杂的控制和保护电路设计，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，可直接设计在汽车电子控制器中，调试维护方便，功率一般40W左右即可。随着PI Expert电源设计软件的广泛应用，满足了产品设计周期越来越短的要求。
参考文献：
[1]沙占友，单片开关电源最新应用技术. 2002. (1) :2－3.
[2]PI AN31.DPA-Switch DC-DC Forward Converter Design Guide[z].PI AN31,2002,6.
[3]黄先进，基于TOPSwitchII的小功率五路输出开关电源设计.通信电源技术.2004.10：22-25.
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
[关键词]脉宽调制 DPA-Switch 单端正激 高频变压器 同步整流装置
中图分类号：TN4 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2008）1120033－01
一、引言
单片开关电源集成电路具有高集成度、高性能价格比、简单外围电路等特点，能构成高效率无工频变压器的隔离式开关电源。单片开关电源在成本上与同等功率的线性稳压电源相当，但其电源功率显著提高，体积和重量减小近一半，展示了良好的应用前景，目前已形成了10大系列，100多种型号的产品。
二、DPA-Switch单片开关电源芯片
DPA-Switch系列定位于低功率的DC／DC应用领域，集成了200V功率MOSFET和低压控制电路。它除了具有普通DC／DC转换器的过温保护、电流限制、前沿消隐、脉宽调制等功能外，还包含了外部可编程电流限制调节、外部同步、远程通断等多种功能。DPA-Switch系列将多种功能集成于同一管脚，可使设计的外围元件数比典型分立DC-DC转换器减少近50个，同时各种功能又互不影响。
图1是DPA-Switch系列芯片内部功能框图，主要由高压电流源、5.8V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、输入线欠压和线过压感应电路、振荡器、过温保护电路、前沿消隐、功率MOSFET等模块构成。
上电时，漏极端（DRAIN）通过内部高电压电流源提供内部偏置电流使系统起动，其工作电压范围16～75V。控制端（CONTROL）通过控制电流来改变DPA-Switch的占空比。电压检测端（LINE-SENCE）为用户控制过压OV、欠压UV，同步和开/关控制使用。限流端（EXTERNAL CURRENT LIMIT）控制它的限流点和开/关功能。源极端（SOURCE）作为电源参考点。选频端（FREQUENCY）选择300KHZ或400KHZ工作。
通过控制端外接的电容充电过程来实现电路的软启动。当控制极电压Uc达到5.8V时，内部高压电流源关闭，此时由反馈控制电流向Uc供电。在正常工作阶段，由外界电路构成电压负反馈控制环，调节输出级MOSFET的占空比以实现稳压。当控制极电压低于4.8V时，MOSFET管关闭，控制电路处于小电流等待状态，内部高压电流源重新接通并向Uc充电，其关断/自动复位滞回比较器可使Uc保持在4.8V~5.8V之间。图2是芯片典型电压波形，其中（1）电源启动；（2）正常工作；（3）自启动；（4）电源关闭。在自动重启期间，占空比控制在4%左右可有效地限制芯片功耗。
三、典型应用
汽车逆变器控制器中开关电源技术指标：输入直流电压范围为18V到40V，四路输出设计：主输出15V，输出电流2.33A，功率35W。其它辅助输出：一路5V隔离输出，隔离输出两路共地的15V和－15V，每一路的输出电流100mA，总输出功率大于40W。
（一）芯片选取
实际应用中选用何种型号的DPA-Switch，应根据变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DPA-Switch输出功率和耗散功率关系表。本设计选择DPA425R，芯片最大功率输出70W，输出功率50W时，耗散功率2.5W。
（二）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芯片，按照使用者提出的电源规范产生具体能量转换方案。PI Expert提供一种直观的、分步的设计界面，让使用者分别设定变压器，输入电容参数和所用芯片。
利用PI Expert软件开发平台，可以方便的设计选择开关电源电路拓扑、芯片系列、芯片封装、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24V时，电源效率经PI Expert分析大于90%，选择开关频率300kHz。
（三）高频变压器设计
高频变压器设计是电源设计的关键，可在PI Expert专用设计软件的帮助下完成变压器设计。
用最大占空比计算直流侧原边和主输出次边变压器变比：
（1）
式（1）中，为输出整流器件的正向压降；为主输出电压15V；为DPA-Switch的漏源电压降，取1V；R是考虑各种杂散损耗的因素后综合系数，取0.95，计算结果匝比是1.57。
计算完变压器次级匝数，再估算初级匝数，使变压器磁芯 的工作在
1000～1500 GS范围，从而减小交流磁通密度对磁芯的损耗的影响。
式（2）中，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：
（3）
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， ，最大磁感应强度BS=4000×10-4T。
根据式（1）和（2）可知，。其他路变压器设计可按照如上步骤计算。
（四）DPA-Switch芯片周边电路设计
开关电源原理如图所示。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24V限压作用。R1设置芯片起始电压，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。
四、结语
本文采用的DPA-Switch设计DC-DC正激变换器简化了复杂的控制和保护电路设计，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，可直接设计在汽车电子控制器中，调试维护方便，功率一般40W左右即可。随着PI Expert电源设计软件的广泛应用，满足了产品设计周期越来越短的要求。
参考文献：
[1]沙占友，单片开关电源最新应用技术. 2002. (1) :2－3.
[2]PI AN31.DPA-Switch DC-DC Forward Converter Design Guide[z].PI AN31,2002,6.
[3]黄先进，基于TOPSwitchII的小功率五路输出开关电源设计.通信电源技术.2004.10：22-25.
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”