低交叉調(diào)整率的雙輸出DC／DC變換器設(shè)計

賈麗超，劉云鵬

（1．中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032；2．沈陽中鈔信達(dá)金融設(shè)備有限公司，沈陽110122）

·微機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信·

低交叉調(diào)整率的雙輸出DC／DC變換器設(shè)計

賈麗超1，劉云鵬2

（1．中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032；2．沈陽中鈔信達(dá)金融設(shè)備有限公司，沈陽110122）

開關(guān)電源在工業(yè)控制、家用電器、儀器儀表等領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛。DPA－Switch系列產(chǎn)品是高度集成的解決方案，適用于16～75 VDC輸入的DC／DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用。單端反激DC／DC變換器具有電路簡單、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用單片DPA426R芯片設(shè)計了一款具有低交叉調(diào)整率的單端反激雙路輸出DC／DC變換器，給出了電路原理圖和主要電性能指標(biāo)，介紹了改善兩路輸出電壓平衡、降低交叉調(diào)整率的方法，對三種電壓采樣方式進(jìn)行了說明。實驗結(jié)果表明，該變換器不僅輸出穩(wěn)定，輸出紋波小，效率高，而且具有較低的交叉調(diào)整率這一突出優(yōu)點(diǎn)。

單片DPA426R；單端反激；雙路輸出；DC／DC變換器；電壓采樣；交叉調(diào)整率

1　引　言

開關(guān)電源在電力電子設(shè)備、工業(yè)自動化控制、軍工設(shè)備、儀器儀表等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在人們的生產(chǎn)、生活中具有重要作用。DC／DC變換器是開關(guān)電源的主要組成部分，反激式DC／DC變換器具有電路簡單、體積小、成本低和效率高等優(yōu)點(diǎn)，適合于小功率開關(guān)電源的設(shè)計［1］。本文應(yīng)用單片DPA426R芯片設(shè)計了一款單端反激雙路輸出低交叉調(diào)整率的DC／DC變換器，并對其原理及實驗結(jié)果進(jìn)行了介紹。

2　單端反激式電路結(jié)構(gòu)簡介

圖1　單端反激式電路原理圖

3　低交叉調(diào)整率的單端反激雙路輸出DC／DC變換器

應(yīng)用單片DPA426R芯片作為主控芯片，設(shè)計了一款低交叉調(diào)整率的單端反激雙路輸出DC／DC變換器。其輸入電壓范圍為18V～36V，輸出電壓分別為15V／0．67A和－15V／0．67A，總輸出功率為20W。圖2為該變換器的電路原理圖，下面對其進(jìn)行說明。

圖2　低交叉調(diào)整率的單端反激雙路輸出DC／DC變換器原理圖

主控芯片U1的線電壓檢測引腳L，通過R3與輸入端VI相接，用來檢測輸入端電壓，從而實現(xiàn)欠電壓保護(hù)、過電壓保護(hù)及線電壓前饋功能；外部流限設(shè)定引腳X，通過R1與VI相接，以利用輸入電壓來設(shè)定極限電流，且極限電流會隨VI值的增高而降低，實際上也就是限定了變換器二次側(cè)的總輸出功率；頻率引腳F與控制引腳C相連，設(shè)定開關(guān)頻率為300KHz［4］。變換器的工作原理是：LI1、CI1和CI3組成輸入端濾波器，D1為U1的漏極提供箝位電壓，D4和C5為U1供電，C4、R5和EI1為U1提供去耦，D3和D6分別為正、負(fù)兩路輸出VO＋15和VO－15提供整流，EO1、L2和EO2，EO4、L3和EO5分別構(gòu)成兩路輸出的π型濾波器，可降低各輸出的高頻噪聲和紋波，R28和R29為假負(fù)載［5］。輸出總電壓VO＋15與VO－15之和經(jīng)R16、輸出負(fù)電壓VO－15經(jīng)R23共同與R17分壓后被采樣，采樣電壓與可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器U3中的2．5V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差電壓，該誤差電壓控制線性光電耦合器U2，使U2的發(fā)光二極管工作電流發(fā)生變化，從而調(diào)節(jié)U2的二次側(cè)電流，進(jìn)而控制U1的控制端電流來改變U1的輸出占空比，最終達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。R9、R10、D5和C7構(gòu)成軟啟動網(wǎng)絡(luò)，在變換器上電時抑制過大的啟動電流并防止輸出端出現(xiàn)過沖。C8、R13、C9、R14則可改善環(huán)路控制響應(yīng)［6］。設(shè)計中變壓器選用EFD15－PC40型磁芯，初級、次級及供電繞組的匝數(shù)比NP：NS：NF為14：15：12［7－8］。

4　重點(diǎn)與難點(diǎn)

交叉調(diào)整率為雙路輸出DC／DC變換器的一個重要參數(shù)，用其中一路輸出端負(fù)載發(fā)生跨步變化時，對另一路輸出電壓精度影響的百分比來表示。以本文雙路輸出DC／DC變換器的正路為例，交叉調(diào)整率是指：正路帶半載輸出，負(fù)路從半載輸出變化到滿載輸出時，正路輸出電壓的相對變化量，其計算公式為：

式中VC＋為正路輸出的交叉調(diào)整率，VO2為正路帶半載、負(fù)路帶滿載時正路的輸出電壓，VO1為正路帶半載、負(fù)路帶半載時正路的輸出電壓，VO＋為正、負(fù)路均滿載時正路的輸出電壓。對于電源使用者來說，除了要求每路輸出都穩(wěn)定之外，交叉調(diào)整率當(dāng)然越低越好，即雙路輸出的電源，任何一路的負(fù)載發(fā)生變化，只要不超過規(guī)定的最大負(fù)載，對另一路輸出的影響都盡可能小。這就需要在變換器的閉環(huán)控制回路中，對兩路輸出進(jìn)行精確控制，以使兩路輸出的電壓值不受其中一路負(fù)載變化的影響或影響盡可能小。如何獲得盡可能低的交叉調(diào)整率是本設(shè)計的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

圖3　雙路輸出DC／DC變換器的三種輸出電壓采樣方法

要想獲得較低的交叉調(diào)整率，需要對輸出進(jìn)行精確控制，而對輸出控制的精確程度又與閉環(huán)控制回路中電壓采樣的方法密切相關(guān)。在現(xiàn)有的正、負(fù)雙路輸出電源中，對輸出電壓的采樣方法通常有兩種，分別如圖3中（a）和（b）所示。圖（a）所示電路是對VO＋與VO－正負(fù)兩路輸出電壓之和進(jìn)行采樣，這種方法只能確?？傒敵鲭妷旱姆€(wěn)定，而對輸出電壓中間點(diǎn)的地電平GO的波動卻無能為力。以本文±15V輸出為例，如果由于某種原因使正輸出端的負(fù)載加重，同時使負(fù)輸出端的負(fù)載減輕，則會使VO＋的值減?。ㄈ缦陆档?4．5V），VO－的絕對值增加（如增加到15．5V），而總輸出電壓依然保持30V不變，這樣控制回路僅從采樣的總輸出電壓值來看，無法判斷出VO＋與VO－的值已經(jīng)因為各自負(fù)載的變化而發(fā)生變化，也就不會對電路進(jìn)行相應(yīng)的反饋調(diào)整。而實際上，正、負(fù)兩路輸出電壓都已經(jīng)發(fā)生較大偏差，從而使得圖（a）所示電路的交叉調(diào)整率會比較大。圖（b）所示電路是僅對VO＋采樣，即只能確保VO＋的穩(wěn)定，而VO－則處于開環(huán)不受控制的狀態(tài)。一旦VO＋的負(fù)載發(fā)生較大變化，控制回路只能對VO＋進(jìn)行控制，使其仍然穩(wěn)定在15V左右，而VO－的值則因為不受閉環(huán)回路控制而發(fā)生很大變化，使得電路中負(fù)路輸出的交叉調(diào)整率較大。事實上，用一個閉環(huán)回路同時控制兩路輸出電壓的穩(wěn)定確實是一件非常困難的事情。這也正是圖（a）和圖（b）所示電路交叉調(diào)整率較大的根本原因。

圖（c）是一種更全面、更均衡的輸出電壓采樣方案，它對正、負(fù)兩路總輸出電壓和VO－同時進(jìn)行采樣，在確保VO－穩(wěn)定的同時，兼顧總輸出電壓的穩(wěn)定，而總輸出電壓中包含了VO＋，即它可以實現(xiàn)用一個閉環(huán)回路同時控制正、負(fù)兩路輸出電壓的穩(wěn)定。即使其中任何一路的負(fù)載發(fā)生較大變化（在規(guī)定負(fù)載范圍內(nèi)），閉環(huán)控制回路都會在穩(wěn)定負(fù)載發(fā)生變化那路輸出的同時，控制另一路的輸出也保持穩(wěn)定。這樣兩路各自的輸出就不會因為其中一路負(fù)載的變化而較原來產(chǎn)生較大偏差，那么由前面的公式可知，圖（c）所示電路的交叉調(diào)整率就會比較低。在本文DC／DC變換器的設(shè)計之中就采用了圖（c）所示的采樣方法。除此之外，在繞制變壓器時，副邊兩繞組采用的是相同線徑，同等長度的銅線進(jìn)行并排繞制，以使兩繞組的感應(yīng)電壓相同，內(nèi)阻相同，從而保證了輸出電壓的平衡。

5　實驗結(jié)果

經(jīng)過多次實驗證明，設(shè)計的單端反激雙路輸出DC／DC變換器在－40℃～85℃溫度范圍內(nèi)，均具有優(yōu)良的電性能，且輸出穩(wěn)定，交叉調(diào)整率低，如表1所示。

表1　主要電性能（－40℃～85℃）

6　結(jié)束語

介紹了一種低交叉調(diào)整率的單端反激雙路輸出DC／DC變換器設(shè)計，該設(shè)計實現(xiàn)了用一個閉環(huán)回路同時控制正、負(fù)兩路輸出電壓的穩(wěn)定。文中對雙路輸出DC／DC變換器輸出電壓的采樣方法進(jìn)行了說明和比較。該設(shè)計使單端反激雙路輸出DC／DC變換器，除了具有優(yōu)良的電性能和高可靠性外，還具有較低的交叉調(diào)整率這一重要特性，為雙路輸出DC／DC變換器實現(xiàn)輸出電壓平衡提供了有益參考。

［1］周潔敏．開關(guān)電源理論及設(shè)計［M］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012．Zhou Jiemin．The theory and design of switching power supply［M］．Beijing：Beihang University press，2012．

［2］Sanjaya Maniktala．精通開關(guān)電源設(shè)計［M］．北京：人民郵電出版社，2015．Sanjaya Maniktala．Be versed of switching power supply design［M］．Beijing：PT press，2015．

［3］陳純鍇．開關(guān)電源原理、設(shè)計及實例［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2013．Chen Chunkai．The theory，design and example of switching power supply［M］．Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2013．

［4］Power Integrations，Inc．DPASwtich Data Sheet［Z］．／2012．http：／／ac－dc．power．com／sites／default／files／product－docs／dpa_family_datasheet．pdf．

［5］王水平，王保保，賈靜．單片開關(guān)電源集成電路應(yīng)用設(shè)計實例［M］．北京：人民郵電出版社，2008．Wang Shuiping，Wang Baobao，Jia Jing．Applications and design example of single switching power supply［M］．Beijing：PT press，2008．

［6］沙占友，王彥朋，周萬珍，等．單片開關(guān)電源最新應(yīng)用技術(shù)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005．Sha Zhanyou，Wang Yanpeng，Zhou Wanzhen，et al．The newest application technology of single switching power supply［M］．Beijing：Publishing House of Mechanical Industry，2005．

［7］胡斌，胡松．電子工程師必備—元器件應(yīng)用寶典［M］．北京：人民郵電出版社，2012．Hu Bin，Hu Song．The essential book of electronic engineer－A value book of component application［M］．Beijing：PT press，2012．

［8］Abraham I．Pressman，Keith Billings，Taylor Morey．開關(guān)電源設(shè)計［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2010．Abraham I．Pressman，Keith Billings，Taylor Morey．Switching power supply design［M］．Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2010．

Design of DC／DC Converter With Double－route Output Low Cross Regulation

Jia Lichao1，Liu Yunpeng2
（1．The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China；2．Shenyang Zhongchaoxinda Finance Device LTD．，Shenyang 110122，China）

Switch power is widely used in many fields such as industry control，household appliances and various instruments．The DPA－Switch series products，as an highly integrated solution，are applicable to DC／DC converter with DC voltage input range from 16V to 75V．The single－ended flyback DC／DC converter has the advantages of simple circuit，small volume and low cost，etc．A DC／DC converter with double－route output low cross regulation based on single DPA426R is designed in this paper．And the circuit diagram and main electrical properties are provided，the methods of improving the balance of the double－route output and reducing the cross regulation are introduced．The result of this experiment shows that the converter has many advantages of steady output，low voltage ripple，high efficiency as well as the lower cross regulation．

Single DPA426R；Ended flyback；Double－route output；DC／DC converter；Voltage sampling；Cross regulation

10．3969／j．issn．1002－2279．2016．05．006

TP29

B

1002－2279（2016）05－0021－04

當(dāng)高速開關(guān)S閉合，變壓器的初級線圈正好被直流電源VI激勵時，變壓器的次級線圈耦合電壓被VD截止，沒有向負(fù)載提供輸出電壓；而僅在高速開關(guān)S斷開時，變壓器初級線圈儲存的電能才被耦合到次級

賈麗超（1982－），女（滿族），遼寧省開原市人，工程師，碩士研究生，主研方向：電子產(chǎn)品研制和開發(fā)。

2015－12－15線圈并向負(fù)載提供輸出電壓VO，這就是單端反激式電路的基本原理［2－3］，其電路原理圖如圖1所示。