基于TOP243Y的單片反激開關(guān)電源設(shè)計(jì)

摘要：介紹了一種具有多路輸出的單端反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法，給出了利用單片開關(guān)電源集成芯片TOP243Y的電源設(shè)計(jì)實(shí)例，對外圍輸入EMI濾波電路、鉗位電路、高頻變壓器、輸出整流濾波電路等部分的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了詳細(xì)的分析和說明，并對設(shè)計(jì)樣機(jī)進(jìn)行組裝和調(diào)試。
關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；TOP243Y；高頻變壓器；鉗位電路；樣機(jī)調(diào)試

    基于某課題項(xiàng)目中的嵌入式設(shè)備的電源需求，根據(jù)實(shí)際需要收集設(shè)計(jì)電源的參數(shù)指標(biāo)，分析并設(shè)計(jì)一款基于TOP243Y的單片反激開關(guān)電源設(shè)計(jì)，最終通過樣機(jī)的組裝和調(diào)試對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 電源技術(shù)指標(biāo)的收集
    本設(shè)計(jì)是基于一款嵌入式ARM開發(fā)板而設(shè)計(jì)的電源，根據(jù)具體設(shè)備電源的需求，收集以下指標(biāo)：輸入電壓范圍：220±20％；輸出電壓和對應(yīng)的電流值：5 V／1A，12V／1A，-12V／1A，輸出紋波：<1％，工作溫度：-40～85℃，電壓調(diào)整率：±0.1％，負(fù)載調(diào)整率：≤±5％，損耗因數(shù)：0．5。

2 EMI濾波器及輸入整流電路設(shè)計(jì)
    在大多數(shù)場合EMI電源濾波器主要抑制共模干擾信號。本設(shè)計(jì)EMI濾波器中的CX、CIN1和LCM就是用來濾除共模干擾的。共模電感通常取5～33 mH，本設(shè)計(jì)取為6 mH。整流橋選用1N4001(1A／1 000 V)，此管可對電流電壓留有一定的余量。
    CIN1的值可通過式(1)進(jìn)行計(jì)算：
   
    可得：CIN1≈3．16×10-5F，留有一定余量，本設(shè)計(jì)取CIN1為33 μF。CX為X電容，在使用開關(guān)電源的PI電路中，其最佳電容量是0．1～0．33 μF，本設(shè)計(jì)取為0．1 μF。

3 高頻變壓器的設(shè)計(jì)
3．1 變壓器磁芯的選擇
    在單片開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，通常選擇錳鋅鐵氧體材料的磁芯，磁芯截有效面積可用下面經(jīng)驗(yàn)公式(2)計(jì)算：
   
    其中Ae是磁芯有效面積，ηr是變壓器的轉(zhuǎn)換效率，通常取0．75～0.95之間數(shù)，本設(shè)計(jì)取0．9。經(jīng)計(jì)算得到Ae≈0．85 cm2，然后查變壓器的磁芯對照表，最后選擇EE28磁芯。
3．2 計(jì)算脈沖信號量大占空比OMAX
    當(dāng)電網(wǎng)電壓在220±20％范圍內(nèi)變化時(shí)，經(jīng)全波整流后的直流輸入電壓最小為Vin(min)為208.86V。根據(jù)公式(3)可得最大占空比為：
   
    其中VOR為反射電壓，是指當(dāng)功率開關(guān)管關(guān)斷且次級電路處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，次級電壓感應(yīng)到初級端的電壓值。根據(jù)本設(shè)計(jì)要求計(jì)算時(shí)取VOR=110 V，VDS為主開關(guān)導(dǎo)通對D、S間壓降，典型值為10 V。經(jīng)計(jì)算得到：DMAX≈0．36。
3．3 計(jì)算初級峰值電流
    平均值電流如式(4)所示：
   
3. 4 計(jì)算變壓器原邊的電感量
   
    其中Z是損耗分配因子。一般取作0．5。經(jīng)計(jì)算可得：LP≈1 860．29μH
3．5 次級繞組匝數(shù)NS的計(jì)算
    本文選用TOP243YN作為開關(guān)電源的主芯片，對TOPSwitch器件來說：
    NS=0．6(VO+VD)       (7)
    式(7)中VO為輸出電壓，VD為輸出二極管正向壓降。本設(shè)計(jì)5 V輸出二極管采用超快恢復(fù)肖特基二極管，因此：NS≈3．4取整數(shù)，次級繞組NS為4匝。
3．6 初級繞組匝數(shù)NP的計(jì)算
   
    取整數(shù)，初級繞組NP為78匝。
3．7 偏置繞組匝數(shù)的計(jì)算
   
    其中VB是偏置電壓，這里取為12 V，VDB是偏置二極管正向電壓降，這里取為0.95 V。偏置繞組取整數(shù)則大約需要9匝。
3．8 其他2個(gè)次級繞組的匝數(shù)的計(jì)算
   
    ±12 V次級繞組的電壓：VS1=VO+VD+VL=12．9 V。故可得：n≈0．117 2，則兩個(gè)次級匝數(shù)計(jì)算為：NS1(2)≈9．05，取整數(shù)后，+12V次級繞組均取為9匝。
3．9 確定初級導(dǎo)線的內(nèi)徑
    根據(jù)初級層數(shù)d、骨架寬度b和安全邊距M，利用式(11)計(jì)算有效骨架寬度bE：
    bE=d(b-2M)       (11)
    本設(shè)計(jì)中取d=3，b=9.6mm，M=0代入式(11)：bE=28．8mm。
    利用式(12)計(jì)算導(dǎo)線的外徑：
   
    得到：DPM≈0．36mm，由AWG的導(dǎo)線規(guī)格表查得，與直徑0．36mm最接近線號是28AWG。
3．10 確定次級導(dǎo)線的內(nèi)徑
    次級裸導(dǎo)線直徑可用式(13)表示：
   
    其中，根據(jù)文獻(xiàn)可得電流密度為式(14)：
   
    代入電流密度和次級有效值電流的值，可得到次級導(dǎo)線線徑為：DSM≈0．98 mm。
    當(dāng)DSM>0.4mm時(shí)，建議應(yīng)采用多股導(dǎo)線并繞NS匝，由AWG的導(dǎo)線規(guī)格表可得選用25AWG。與單股粗導(dǎo)線繞制方法相比，多股并繞能增大次級繞組的等效截面積，改善磁場耦合程度，減小漏感。
3．11 變壓器氣隙的計(jì)算
    對于單端度激式變壓器的磁芯，為了避免磁芯飽和，減小變壓器的高頻磁芯損耗及發(fā)熱問題，應(yīng)該在磁回路中加入一個(gè)適當(dāng)?shù)臍庀?sigma;。
   

4 無源RCD鉗位電路的參數(shù)設(shè)計(jì)
    在MOSFET管漏極增加鉗位保護(hù)電路，對尖峰電壓進(jìn)行鉗位或者吸收，防止開關(guān)管損壞，如圖1所示。

4．1 確定鉗位電阻
    漏源間電壓的經(jīng)驗(yàn)公式為：
   
    其中漏感取為62．4μH，取為27 kΩ。
4．2 確定鉗位電容CC
    鉗位電容CC的值應(yīng)取得足夠大以保證其在吸收漏感能量時(shí)自身的脈動電壓足夠小，可通過下式來確定最小值為：
   
4．3 確定鉗位二極管
    鉗位電路中的二極管一般選擇快速恢復(fù)二極管，它的耐壓值應(yīng)大于最大直流輸入電壓。本設(shè)計(jì)選取快速恢復(fù)二極管FR106。

5 輸出整流濾波電路及后級濾波電路的設(shè)計(jì)
    輸出整流濾波電路由整流二極管和濾波電容構(gòu)成。根據(jù)計(jì)算分析整流二極管可以選用的型號為SB150。另外兩路輸出及偏執(zhí)繞組的二極管分別為：12 V均選用肖特基整流SB180，偏置繞組選用超快恢復(fù)二極管MUR110。
    對輸出濾波電容的選擇來說，紋波電流和ESR(等效串聯(lián)阻抗)是它的2個(gè)重要參數(shù)。在保證控制環(huán)路的帶寬足夠的前提下，應(yīng)選擇耐壓值高和容值低的濾波電容。本電源的輸出濾波電容選擇為：5 V輸出選擇為680μF／35 V低ESR電容，12V選擇為330μF／35V低ESR電容。若濾波效果不理想，可以在下級再串聯(lián)一個(gè)L、C濾波環(huán)節(jié)，這里叫做后級濾波環(huán)節(jié)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，L取2．2～10 μH，電容推薦選擇120 μF／35V低ESR電容。

6 反饋環(huán)路的設(shè)計(jì)
    開關(guān)電源依靠反饋控制環(huán)路來保證在不同的負(fù)載情況下得到所需的電流電壓。本設(shè)計(jì)采用穩(wěn)壓器TL431與光耦PC817A組合的環(huán)路動態(tài)電流控制補(bǔ)償電路。

7 樣機(jī)組裝與調(diào)試
    本設(shè)計(jì)最終電氣原理圖如圖1所示。根據(jù)電氣原理圖進(jìn)行前期的軟件仿真分析驗(yàn)證，之后就要進(jìn)行設(shè)計(jì)樣機(jī)的組裝和調(diào)試。組裝電路時(shí)注意電路板的規(guī)捌和元器件的選取，安裝設(shè)計(jì)要求來布局布線，并盡量選取和計(jì)算結(jié)果貼近的元器件。最終對完成組裝的樣機(jī)進(jìn)行先期的調(diào)試驗(yàn)證及各個(gè)元器件的失效性分析，最終方可用于實(shí)際的使用。本開關(guān)電源裝置是為課題組某嵌入式系統(tǒng)提供的穩(wěn)定的三路直輸出流電源。最終通過示波器驗(yàn)證輸出穩(wěn)定，可用于實(shí)際課題實(shí)驗(yàn)中。示波器驗(yàn)證輸出波形如圖2所示：其中波形圖上下分別代表5 V和12 V輸出，經(jīng)分析基本符合設(shè)計(jì)輸出和紋波等要求。

8 結(jié)束語
    文中主要分析與設(shè)計(jì)了一款單端反激式開關(guān)電源，重點(diǎn)其前級整流濾波、鉗位電路及高頻變壓器的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)理論分析，最后對樣機(jī)進(jìn)行組裝和調(diào)試，希望通過本文對設(shè)計(jì)者有一定啟發(fā)和示范作用。