介绍
单端正激变换器拓扑技术作为最佳方案，广泛地应用于工业控制、电信中心局设备、数字电话及使用分布式配电系统等DC-DC 应用当中。 在DC-DC 单端正激变换器的设计当中，DPA-Switch 的产品的优势如下：• 元件数目低
• 高效率（使用同步整流时，效率通常>91%）• 内置缓启动降低了应力及过冲• 内置精确的线电压欠压检测• 内置精确的线电压过压关断保护• 内置可调整的限流点• 内置过载及开环故障保护• 内置过热关断保护 •
在输入高压及负载瞬变情况下，可编程的占空比降低特点限制了占空比的偏移程度 • 极好的轻载效率
• 可选的300 kHz 或400 kHz 的工作频率• 无损耗集成的逐周期电流限制
本设计指南中举例的电路对这些特点的使用以及DP A-Switch 的其它特点进行了说明。
范围
本文说明了使用DPA-Switch 的具有单输出的单端正激变换器设计的设计指南。它可以用来帮助系统工程师及电路设计师熟悉DC-DC 应用中DPA-Switch 的性能和要求。 此应用指南所提供的材料用于帮助DP A-Switch DC-DC 正激变换器设计的用户正确使用PI Expert 软件设计工具。 后续的应用指南还将包括更加复杂设计的全面的设计过程。关于最新的应用信息及设计工具，建议设计者查看Power Integrations 网站 。 图 1. 具有单输出的DP A-Switch 单端正激变化器的典型电路结构
应用指南AN-31
DPA-Switch
®
DC-DC 正激变换器设计指南
July 2004
AN-31
版本
C 07/04
图1所示为具有单一稳压输出的DPA-Switch 电源的典型 电路。本设计指南对图1具体实现电路中的元件选择所需要注意的事项进行了讨论。同时，本文还涉及到怎样在成本、效率及复杂性之间进行选择和折衷，包括同步整流的替换方法及产生偏置电压的可选方法。 系统要求
设计开始时，要对规格要求进行评估。表1给出了此文中变换器范例的规格，在此用于制作一个工程原型样板来加以评估。只需稍加改进，使用基本设计的变量即可达到较高的效率。输入电压
变换器工作的实际输入电压范围要比规格中所示的范围要宽。规格中要求在最低36 V 输入的情况下变换器能够工作并输出达到全部性能要求。因此，设计者必须保证
输入电压低于规格中的最小值时变换器能够工作正常并且功能完善。
DPA-Switch 的输入欠压阈值容差变化要留有足够的设计 裕量，使得实际的最低工作电压接近30 V 。类似地，在输 入电压高于规定的最大输入电压的情况下，变换器也必须 能够正常工作。对于标称输入电压为48 V 的设计，实际 的输入电压范围通常为30 V 至90 V 。输出特性
使用TL431的普通反馈电路，当输入电压、负载及工作温度变化时，输出电压可以维持在±4%的范围以内。经过适当的频率补偿后可以对瞬态响应加以控制。反馈网络中元件数值的选择指南将在后续的单独章节加以讨论。纹波和噪声完全受输出电感及所用电容的大小所影响。本文也将对这些方面的问题进行详尽的讨论。
表 1. 单输出DC-DC 变换器的典型规格要求
AN-31版本
C 07/04
图 2. 产生偏置电压的方法
输出整流
输出整流可以采用分立的肖特基二极管来实现，这样成本最低。或者可以采用同步整流来得到最高的效率。本文会
有一个独立的章节详细讨论同步整流技术。超快速PN 结二极管不适于应用在DP A-Switch 的工作频率。
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C 07/04
效率
使用DPA-Switch 设计一个DC-DC 变换器时会涉及到几个工程方面的问题，在效率、成本及复杂性之
间进行权衡折衷。图1所示的电路结构在中等负载时整个输入电压范围内可以达到高于85%的效率。在典型应用当中， 不使用同步整流的情况下，大约25%的总的损耗将耗散在DP A-Switch 器件上 (见DP A-Switch 数据手册)，40%损耗在输出整流管，而30%的总损耗耗散在磁性元件上。其余的损耗耗散在其它器件及电路走线上。
在使用同步整流替代肖特基整流时，由于更低的电压降，因而可以得到约91%的更高效率。通过使用更大型号的DPA-Switch 器件可以将效率进一步提高，因较大型号的DPA-Switch 器件其R DS(ON)更低。继续增大DPA-Switch 器件不会使效率得到进一步的提高，因器件的开关损耗也会相应地增加。可以通过使用更大的磁芯及300 kHz 而不是400 kHz 开关频率的方法来降低磁性元件中的损耗。设计者必须对电源的大小、成本及复杂性进行评估，最终权衡选择使用这些可选方案。温度
与普通的消费用电子应用相比，DC-DC 变换器通常工作在很宽的温度范围。设计者应该知道被动元件的特性随温度的变化非常大。注意这些影响并选择合适的元件可以防止某些意想不到的及不希望的现象发生。
设计者必须注意输出电容和反馈电路中元件的选取，以便保证在整个温度范围内都可以满足规格中的性能要求。在后续的输出电容选择及反馈设计的部分将对此进行详细的讨论。
偏置电压
有四种方法来产生DP A-Switch 工作所需的偏置电压：(a) 从DC 输入电压得到 (b) 变压器偏置（非稳压）(c) 输出耦合电感绕组(d) 变压器偏置（稳压）
图2说明了这四种方法。每种方案都必须保证在最差的工作条件下(最低输入电压及最小负载)使得光耦器的集电极电压至少为8 V 。在一般的工作情况下，最低的偏置电压应为12 V 。在这四种方案当中，输出耦合电感和稳压的变压器偏置方法可以得到最高的效率，因为此时光耦器两端的电压是可以控制的。但这增加了电路的复杂性。
光耦器的损耗可能会很严重，因而必须加以检验。最大的光耦器镜像三极管电流与所选用的DPA-Switch 的控制引脚电流(I C(SKIP))的最大值相等。因而，最大的损耗发生在偏置电压最高 (对应(a)和(b)中的最高输入电压)、输出负载最小的情况。表2给出了所有方案复杂性和性能之间的关系比较。
a) 从DC 输入电压得到偏置电压是三种方案中最简单的 方法。为降低光耦器集电极-发射极之间的最大电压，在DC 输入电压的正端与光耦器镜像三极管的集电极之间使用了一个稳压二极管。更加重要的是，这样可以对光耦器的损耗加以限制。这样简化所带来的问题是效率的降低，尤其在输入高电压的情况效率的降低更加严重。因而该方案特别适合于输入电压较低 (18 V 至36 V)的工业应用领域。在工业应用中，输入电压通常很低，可以省去稳压二极管，因为标准光耦器的击穿电压一般为70 V 。设计者必须对任意情况下光耦器所消耗的最大耗散功率进行检查。b) 变压器偏置（非稳压）是指电压来
自于功率变压器的一个绕组。绕组整流管连接时要使得偏置绕组的极性为正激。这样，当DPA-Switch 导通时，整流管处于导通状态。由于偏置电压与输入电压成比例，在输入电压较高时效率会下降，但这种方法与直接连接至输入端的方法相比，其影响较小些。同样，设计者需要在偏置电压最大时检查光耦器的功率消耗。对于这种偏置电压的产生方式，最差的情况是输出负载最小、 输入电压最高的情况。DP A-Switch 的应用当中不建议使用反激式偏置绕组，因其会影响变压器的复位。c) 输出耦合电感偏置是使用输出电感上的一个绕组来产生偏置电压。这种方法可以在变换器工作于连续导通方式时，保证得到一个稳压良好的偏置电压。利用绕组的相位关系可以得到稳定的偏置电压。 当DPA-Switch 关断时可以利用变压器的原理使得偏置绕组的电压与输出电压成比例。得到较高效率的代价就是成本和复杂性的增加，因为要使用一个用户定制的输出电感。通过改变圈数比、偏置电容的大小及主输出最小负载的方法可以对偏置电压进行调整。设计者要在最小负载、最大输入电压情况下检查确认最低的偏置电压至少为8 V 。d) 变压器偏置（稳压）方案与输出耦合电感偏置(c)一样具有相同的作用。偏置电压的稳定不象输出耦合电感偏置那样好。但是，此方案在各种输入电压和输出负载条件下都可以提供一个适度恒定的偏置电压。如果电源工作于连续导通模式，使用独立的电感，则此方
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表 2. 获得偏置电压的方法比较
案可以很好地工作。此方案中可以使用小电流、低成本的(非定制) 电感，但其电感量应足够高，以确保在大多数工作条件下都工作于连续导通模式。
变压器设计
一个成功的变换器设计，功率变压器很重要。效率、元件高度和大小的要求决定了整个电源的具体结
构。系统工程师和电路设计人员可以对这些电气参数和机械尺寸的限制加以规定，并将变压器的详细构造提供给客户的变压器供应商。利用PI Expert 设计工具来决定适当的变压器 参数。本章节将讨论怎样生成一个变压器的详细规格。圈数比
功率变压器最重要的参数为初级-次级的圈数比。圈数 比必须足够低，以便在最低输入电压时提供稳定的输出电压。根据系统规格书确定最低输入电压及输入欠压锁存电路的容差。
尽管规定的最低输入电压为36 V ，考虑到最差情况下欠压电路的容差，DP A-Switch 实际工作的输入电压应低至29 V 。将这个电压减去在最大负载时DPA-Switch 漏极-源极间估算的电压。考虑到输出满载时变压器绕组高频AC 阻抗的电压降，再将其进一步降低。
将该结果乘以最大占空比，再除以输出电压与满载时输出整流管的压降之和。由于DP A-Switch 使用电压模式控制，其占空比可以大于50%。
磁芯和铜线
变压器的实际圈数取决于所选磁芯的尺寸。在DP A-Switch 的工作频率处，所使用的磁芯材料应为低损耗的。铁氧体磁芯特性的技术数据可以从几个供应商处得到，见参考资料[1]、[2]和[3]。选择线径时会受到趋肤效应和临近效应的限制。当输出电流高于6 A 时可以使用铜带绕组。磁芯选择时占支配地
位的因素是散热方面的考虑。选择磁芯时要综合考虑绕线面积、磁芯截面积及磁芯表面积与体积的比例。这些参数决定了功率损耗及变压器的热阻抗。较小的磁芯有时能满足除了温升以外的所有要求，此时必须采用一个较大的磁芯。在实践当中，唯一检验温升的方法就是对原型样机进行实验评估。温度测量必须在变压器上最热的地方进行测量，通常为绕组下靠近磁芯中心的 位置。如果导线的温度高于110 °C ，则需要进行特殊的 考量并使用UL Class F 的材料。其它应用考量
在满足其它限定条件的情况下尽量减小圈数。阻性的损耗取决于导线的长度。在绕线窗口内使用尽量多的铜 （导线）。必须保证降低变压器的漏感，从而降低箝位元件的损耗。因而最好采用初级绕组分开的变压器结构，即次级位于两层初级绕组之间。同时，变压器不应有任
何气隙存在。
