基于TOP243Y的單片反激開關(guān)電源設(shè)計

時間：2012-12-23 23:17:59

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[導(dǎo)讀]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)計實例，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)計過程進行了詳細

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)計實例，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)計過程進行了詳細的分析和說明，并對設(shè)計樣機進行組裝和調(diào)試。
關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；TOP243Y；高頻變壓器；鉗位電路；樣機調(diào)試

    基于某課題項目中的嵌入式設(shè)備的電源需求，根據(jù)實際需要收集設(shè)計電源的參數(shù)指標，分析并設(shè)計一款基于TOP243Y的單片反激開關(guān)電源設(shè)計，最終通過樣機的組裝和調(diào)試對設(shè)計結(jié)果進行驗證。

1 電源技術(shù)指標的收集
    本設(shè)計是基于一款嵌入式ARM開發(fā)板而設(shè)計的電源，根據(jù)具體設(shè)備電源的需求，收集以下指標：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
    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)進行計算：

    可得：CIN1≈3．16×10-5F，留有一定余量，本設(shè)計取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)計取為0．1 μF。

3 高頻變壓器的設(shè)計
3．1 變壓器磁芯的選擇
    在單片開關(guān)電源設(shè)計中，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)驗公式(2)計算：

    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)計取0．9。經(jīng)計算得到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 計算脈沖信號量大占空比OMAX
    當電網(wǎng)電壓在220±20％范圍內(nèi)變化時，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，是指當功率開關(guān)管關(guān)斷且次級電路處于導(dǎo)通狀態(tài)時，次級電壓感應(yīng)到初級端的電壓值。根據(jù)本設(shè)計要求計算時取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)計算得到：DMAX≈0．36。
3．3 計算初級峰值電流
    平均值電流如式(4)所示：

3. 4 計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)計算可得：LP≈1 860．29μH
3．5 次級繞組匝數(shù)NS的計算
    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的計算

    取整數(shù)，初級繞組NP為78匝。
3．7 偏置繞組匝數(shù)的計算

    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個次級繞組的匝數(shù)的計算

    ±12 V次級繞組的電壓：VS1=VO+VD+VL=12．9 V。故可得：n≈0．117 2，則兩個次級匝數(shù)計算為：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)計算有效骨架寬度bE：
    bE=d(b-2M)       (11)
    本設(shè)計中取d=3，b=9.6mm，M=0代入式(11)：bE=28．8mm。
    利用式(12)計算導(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DSM>0.4mm時，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適當?shù)臍庀?sigma;。


4 無源RCD鉗位電路的參數(shù)設(shè)計
    在MOSFET管漏極增加鉗位保護電路，對尖峰電壓進行鉗位或者吸收，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
    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，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
    開關(guān)電源依靠反饋控制環(huán)路來保證在不同的負載情況下得到所需的電流電壓。本設(shè)計采用穩(wěn)壓器TL431與光耦PC817A組合的環(huán)路動態(tài)電流控制補償電路。

7 樣機組裝與調(diào)試
    本設(shè)計最終電氣原理圖如圖1所示。根據(jù)電氣原理圖進行前期的軟件仿真分析驗證，之后就要進行設(shè)計樣機的組裝和調(diào)試。組裝電路時注意電路板的規(guī)捌和元器件的選取，安裝設(shè)計要求來布局布線，并盡量選取和計算結(jié)果貼近的元器件。最終對完成組裝的樣機進行先期的調(diào)試驗證及各個元器件的失效性分析，最終方可用于實際的使用。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。最終通過示波器驗證輸出穩(wěn)定，可用于實際課題實驗中。示波器驗證輸出波形如圖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)計輸出和紋波等要求。