基于多路單端反激式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方案（一）

0 引言

單片開(kāi)關(guān)電源自問(wèn)世以來(lái)，以其效率高，體積小，集成度高，功能穩(wěn)定等特點(diǎn)迅速在中小功率精密穩(wěn)壓電源領(lǐng)域占據(jù)重要地位。美國(guó)PI公司的TOPSwitch系列器件即是一種新型三端離線式單片高頻開(kāi)關(guān)電源芯片，開(kāi)關(guān)頻率fs高達(dá)100 kHz,此芯片將PWM控制器、高耐壓功率MOSFET、保護(hù)電路等高度集成，外圍連接少許器件即可使用。本文介紹了一種基于TOP223Y 輸出為+5 V/3 A,+12 V/1 A的單端反激式開(kāi)關(guān)電源方案設(shè)計(jì)的原理和方法。

1 方案設(shè)計(jì)的原理

開(kāi)關(guān)電源是涉及眾多學(xué)科的一門(mén)應(yīng)用領(lǐng)域，通過(guò)控制功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通與關(guān)閉調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制占空比達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的，能夠?qū)崿F(xiàn)AC/DC或者DC/DC轉(zhuǎn)換。

TOP223Y共三個(gè)端：控制極C、源極S、漏極D.因只有漏極D用作脈寬調(diào)制功率控制輸出，故稱單端;高頻變壓器在功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)只是將能量存儲(chǔ)在初級(jí)繞組中，起到電感的作用，在功率開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)才將能量傳遞給次級(jí)繞組，起變壓作用，故稱反激式。

電路功能部分主要由輸入/輸出整流濾波、功率變換、反饋電路組成。工作原理簡(jiǎn)述為：220 V市電交流經(jīng)過(guò)整流濾波得到直流電壓，再經(jīng)TOP223Y脈寬調(diào)制和高頻變壓器DC-AC變換得到高頻矩形波電壓，最后經(jīng)輸出整流濾波得到品質(zhì)優(yōu)良的直流電壓，同時(shí)反饋回路通過(guò)對(duì)輸出電壓的采樣、比較和放大處理，將得到的電流信號(hào)輸入到TOP223Y的控制端C,控制占空比調(diào)節(jié)輸出，使輸出電壓穩(wěn)定。

2 方案設(shè)計(jì)的要求

設(shè)計(jì)作為某智能儀器的供電電源，具體的參數(shù)要求如下：交流輸入電壓最小值：VACMIN=85 V;交流輸入電壓最大值：VACMAX=265 V;輸出：U1:+5 V/3 A;U2:+12 V/1 A;輸出功率：Po=27 W;偏置電壓：VB=12 V;電網(wǎng)頻率fL=50 Hz;開(kāi)關(guān)頻率fs=100 kHz;紋波電壓：小于100 mV;電源效率：η大于80%;損耗分配因數(shù)Z 為0.5;功率因數(shù)為0.5.

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

本設(shè)計(jì)方案是基于TOP223Y的多路單端反激式開(kāi)關(guān)電源，性能優(yōu)越，便于集成。電路原理如圖2所示，可分為輸入保護(hù)電路、輸入整流濾波電路、鉗位保護(hù)電路、高頻變壓器、輸出整流濾波電路、反饋回路、控制電路7個(gè)部分。

3.1 輸入保護(hù)電路

由保險(xiǎn)絲F1、熱敏電阻RT和壓敏電阻RV組成，對(duì)輸入端進(jìn)行過(guò)電壓、過(guò)電流保護(hù)。

保險(xiǎn)絲F1用于當(dāng)線路出現(xiàn)故障產(chǎn)生過(guò)電流時(shí)切斷電路，保護(hù)電路元器件不被損壞，其額定電流IF1 按照IF1>2IACRMS選擇3 A/250 VAC保險(xiǎn)絲，其中IACRMS為原邊有效電流值。熱敏電阻RT用以吸收開(kāi)機(jī)浪涌電流，避免瞬間電流過(guò)大，對(duì)整流二極管和保險(xiǎn)絲帶來(lái)沖擊，造成損壞，加入熱敏電阻可以有效提高電源設(shè)計(jì)的安全系數(shù)，其阻值按照RRT1>0.014VACMAX/IACRMS 選擇10D-11(10 Ω/2.4 A)。壓敏電阻RV能在斷開(kāi)交流輸入時(shí)提供放電通路，以防止大電流沖擊，同時(shí)對(duì)沖擊電壓也有較好鉗位作用。RV選取MY31-270/3,標(biāo)稱值為220 V.

3.2 輸入整流濾波電路

由EMI濾波電路、整流電路、穩(wěn)壓電路組成。

EMI濾波電路針對(duì)來(lái)自電網(wǎng)噪聲干擾。采用由L1,CX1,CX2,CY1,CY2構(gòu)成典型的Π型濾波器。

CX1和CX2用來(lái)濾除來(lái)自電網(wǎng)的差模干擾，稱為X電容，通常取值100~220 nF,這里取100 μF;CY1和CY2用來(lái)濾除來(lái)自電網(wǎng)的共模干擾，稱為Y電容，通常取值為1~4.7 nF,這里取2.2 nF;同樣用來(lái)消除共模干擾的共模電感L1的取值8~33 mH,這里取8 mH,采取雙線并繞。

輸入整流電路選擇不可控全波整流橋。整流橋的反向耐壓值應(yīng)大于1.25倍的最大直流輸入電壓，整流橋的額定電流應(yīng)大于兩倍的交流輸入的有效值，計(jì)算后選擇反向擊穿電壓為560 V,額定電流為3 A的KBP306整流橋。

在當(dāng)前的供電條件下，輸入儲(chǔ)能電容器CIN的值根據(jù)輸出功率按照2~3 μF/W 來(lái)取值，考慮余量，取CIN=100 μF/400 V的電解電容。假設(shè)整流橋中二極管導(dǎo)通時(shí)間為tc=3 ms,可由：

得到輸入直流電壓的最小值和最大值。

3.3 鉗位保護(hù)電路

當(dāng)功率開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，由于漏感的影響，高頻變壓器的初級(jí)繞組上會(huì)產(chǎn)生反射電壓和尖峰電壓，這些電壓會(huì)直接施加在TOPSwitch芯片的漏極上，不加保護(hù)極容易使功率開(kāi)關(guān)MOSFET燒壞。加入由R1、C2和VD1組成經(jīng)典的RCD鉗位保護(hù)電路，則可以有效地吸收尖峰沖擊將漏極電壓鉗位在200 V左右，保護(hù)芯片不受損壞。推薦鉗位電阻R1取27 kΩ/2 W,VD1鉗位阻斷二極管快恢復(fù)二極管耐壓800 V 的FR106,鉗位電容選取22 nF/600 V的CBB電容。[!--empirenews.page--]

3.4 高頻變壓器

3.4.1 磁芯的選擇

磁芯是制造高頻變壓器的重要組成，設(shè)計(jì)時(shí)合理、正確地選擇磁芯材料、參數(shù)、結(jié)構(gòu)，對(duì)變壓器的使用性能和可靠性，將產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。高頻變壓器磁芯只工作在磁滯回線的第一象限。在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)只儲(chǔ)存能量，而在截止時(shí)向負(fù)載傳遞能量。因?yàn)殚_(kāi)關(guān)頻率為100 kHz,屬于比較高的類型，所以選擇材料時(shí)選擇在此頻率下效率較高的鐵氧體，由：

估算磁芯有效截面積為0.71 cm2,根據(jù)計(jì)算出的Ae 考慮到閾量，查閱磁芯手冊(cè)，選取EE2825,其磁芯長(zhǎng)度A=28 mm,有效截面積SJ=0.869 cm2,有效磁路長(zhǎng)度L=5.77 cm,磁芯的等效電感AL=3.3 μH/匝2,骨架寬度Bw=9.60 mm.

3.4.2 初級(jí)線圈的參數(shù)

(1)最大占空比。根據(jù)式(1)，代入數(shù)據(jù)：寬范圍輸入時(shí)，次級(jí)反射到初級(jí)的反射電壓VoR 取135 V,查閱TOP223Y數(shù)據(jù)手冊(cè)知MOSFET導(dǎo)通時(shí)的漏極至源極的電壓VDS=10 V,則：

(2)設(shè)置KRP .KRP= IR IP ,其中IR為初級(jí)紋波電流;IP為初級(jí)峰值電流;KRP用以表征開(kāi)關(guān)電源的工作模式(連續(xù)、非連續(xù))。連續(xù)模式時(shí)KRP小于1,非連續(xù)模式KRP大于1.對(duì)于KRP的選取，一般由最小值選起，即當(dāng)電網(wǎng)入電壓為100 VAC/115 VAC或者通用輸入時(shí)，KRP=0.4;當(dāng)電網(wǎng)輸入電壓為230 VAC時(shí)，取KRP=0.6.當(dāng)選取的KRP較小時(shí)，可以選用小功率的功率開(kāi)關(guān)，但高頻變壓器體積相對(duì)要大，反之，當(dāng)選取的KRP較大時(shí)，高頻變壓器體積相對(duì)較小，但需要較大功率的功率開(kāi)關(guān)。對(duì)于KRP的選取需要根據(jù)實(shí)際不斷調(diào)整取最佳。

(3)初級(jí)線圈的電流初級(jí)平均輸入電流值(單位：A)：

可知，KRP 選取合適。TOPSwitch器件的選擇遵循的原則是選擇功率容量足夠的最小的型號(hào)。

(4)變壓器初級(jí)電感

3.4.3 初級(jí)次級(jí)繞組匝數(shù)

當(dāng)電網(wǎng)電壓為230 V和通用輸入220 V時(shí)：每伏特取0.6匝，即KNS=0.6.由于輸出側(cè)采用較大功率的肖特基二極管用作輸出整流二極管，因此VD取0.7 V,磁芯的最大工作磁通密度在BM在2 000~3 000 GS范圍內(nèi)。偏置二極管VDB的壓降取0.7 V,偏置電壓VB取12 V.

初級(jí)繞組匝數(shù)：