基于多路單端反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方案

0引言

單片開關(guān)電源自問世以來，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關(guān)電源芯片，開關(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

開關(guān)電源是涉及眾多學(xué)科的一門應(yīng)用領(lǐng)域，通過控制功率開關(guān)器件的開通與關(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。工作原理簡述為：220 V市電交流經(jīng)過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)行過電壓、過電流保護(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用以吸收開機(jī)浪涌電流，避免瞬間電流過大，對(duì)整流二極管和保險(xiǎn)絲帶來沖擊，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（10Ω/2.4 A）。壓敏電阻RV能在斷開交流輸入時(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用來濾除來自電網(wǎng)的差模干擾，稱為X電容，通常取值100~220 nF，這里取100μF；CY1和CY2用來濾除來自電網(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2~3μF/W來取值，考慮余量，取CIN=100μF/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。

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_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，其磁芯長度A=28 mm，有效截面積SJ=0.869 cm2，有效磁路長度L=5.77 cm，磁芯的等效電感AL=3.3μH/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)：

3.5輸出整流濾波電路

由整流二極管、濾波電容和平波電感組成。將次級(jí)繞組的高頻方波電壓轉(zhuǎn)變成脈動(dòng)的直流電壓，再通過輸出濾波電路濾除高頻紋波，使輸出端獲得穩(wěn)定的直流電壓。肖特基二極管正向?qū)〒p耗小、反向恢復(fù)時(shí)問短，在降低反向恢復(fù)損耗以及消除輸出電壓中的紋波方面有明顯的性能優(yōu)勢，所以選用肖特基二極管作為整流二極管，參數(shù)根據(jù)最大反向峰值電壓VR選擇，同時(shí)二極管的額定電流應(yīng)該至少為最大輸出電流的3~5倍。次級(jí)繞組的反向峰值電壓VSM為：

式中：Iout是輸出端的額定電流，單位為A；Dmin是在高輸入電壓和輕載下所估計(jì)的最小占空比（估計(jì)值為0.3）；V（PK-PK）是最大的輸出電壓紋波峰峰值，單位為mV.計(jì)算得出后考慮閾值C6取100μF/10 V，C8取220μF/35 V.

第二級(jí)經(jīng)LC濾波使不滿足紋波要求的電壓再次濾波。輸出濾波電容器不僅要考慮輸出紋波電壓是否可以滿足要求，還要考慮抑制負(fù)載電流的變化，在這里可以選擇C7取22μF/10 V，C9取10μF/35 V.C5取經(jīng)驗(yàn)值0.1μF/25 V.輸出濾波電感根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取2.2~4.7μH，采用3.3μH的穿心電感，能主動(dòng)抑制開關(guān)噪聲的產(chǎn)生。

為減少共模干擾，在輸出的地與高壓側(cè)的地之間接共模抑制電容C15.

3.6反饋回路設(shè)計(jì)

開關(guān)電源的反饋電路有四種類型：基本反饋電路、改進(jìn)型基本反饋電路、配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路、配TL431的光耦反饋電路。本設(shè)計(jì)采用電壓調(diào)整率精度高的可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431加線形光耦PC817A構(gòu)成反饋回路。

TL431通過電路取樣電阻來檢測輸出電壓的變化量ΔU，然后將采樣電壓送入TL431的輸入控制端，與TL431的2.5 V參考電壓進(jìn)行比較，輸出電壓UK也發(fā)生相應(yīng)變化，從而使線性光電耦合器中的發(fā)光二極管工作電流發(fā)生線性變化，光電耦合器輸出電流。

經(jīng)過光電耦合器和TL431組成的外部誤差放大器，調(diào)節(jié)TOP223Y控制端C的電流IC，調(diào)整占空比D（IC與D成反比），從而使輸出電壓變化，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。

對(duì)于電路中的反饋部分，開關(guān)電源反饋電路僅從一路輸出回路引出反饋信號(hào)，其余未加反饋電路。這樣，當(dāng)5 V輸出的負(fù)載電流發(fā)生變化時(shí)，定會(huì)影響12 V輸出的穩(wěn)定性。

解決方法是給12 V輸出也增加反饋電路。另外，電路中C10為TL431的頻率補(bǔ)償電容，可以提高TL431的瞬態(tài)頻率響應(yīng)。R5為光電耦合器的限流電阻，R5的大小決定控制環(huán)路的增益。電容器C13為軟啟動(dòng)電容器，可以消除剛啟動(dòng)電源時(shí)芯片產(chǎn)生的電壓過沖。

下面主要是確定R4~R8的值：

按照應(yīng)用要求，對(duì)5 V電源要求較高，但也要兼顧12 V電源，權(quán)衡反饋量，將R7，R8的反饋權(quán)值均設(shè)置為0.6，0.4，各個(gè)輸出的穩(wěn)定性均得到保障和提高。

只有5 V輸出有反饋時(shí)，如R4，R7取值均為10 kΩ，此時(shí)電流IR7 =250μA，分權(quán)后，R7分得150μA、R8分得150μA.根據(jù)TL431的特性知，Vo，VREF，R7，R8，R4之間存在以下關(guān)系：

式中：VREF為TL431參考端電壓，為2.5 V；Vo為TL431輸出電壓。根據(jù)電流分配關(guān)系得（單位：kΩ）：

式中：VF為光耦二極管的正向壓降，由PC817技術(shù)手冊(cè)知，典型值為1.2 V.先取R5=390Ω，可得R6=139Ω，取標(biāo)稱值150Ω。

3.7控制回路

由電容C7和電阻R12串聯(lián)組成。C9用來濾除控制端的尖峰電壓并決定自動(dòng)重啟動(dòng)時(shí)序，并和R12一起設(shè)定控制環(huán)路的主極點(diǎn)為反饋控制回路進(jìn)行環(huán)路補(bǔ)償。由數(shù)據(jù)手冊(cè)知，C9選擇47μF/25 V的電解電容，當(dāng)C9 =47μF時(shí)，自動(dòng)重啟頻率為1.2 Hz，即每隔0.83 s檢測一次調(diào)節(jié)失控故障是否已經(jīng)被排除，若確認(rèn)已被排除，就自動(dòng)重啟開關(guān)電源恢復(fù)正常工作。R12取6.2Ω。

4方案的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上方案設(shè)計(jì)的方法和規(guī)范，設(shè)計(jì)出的一種基于TOP223Y雙路+5 V/3 A，+12 V/1 A輸出的反激式開關(guān)電源。在寬范圍85~265 VAC的輸入范圍下對(duì)其性能進(jìn)行了測試，如表1所示。

由以上選取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，+5 V/3 A（反饋權(quán)重0.6，負(fù)載500Ω）輸出的電壓調(diào)整率為SV =±0.18%，輸出的紋波電壓為39 mV，輸出的最大電流為3.2 A；+12 V/1 A（反饋權(quán)重0.4，負(fù)載750Ω）輸出的電壓調(diào)整率為SV =±0. 3%，輸出的紋波電壓為68 mV，輸出的最大電流為1.10 A.

該電源在滿載狀態(tài)時(shí)，功率可達(dá)27.6 W，最大占空比為0.60，電源效率為83.1%，開關(guān)電源具有良好的性能，滿足應(yīng)用要求。

5結(jié)語

本文所設(shè)計(jì)的開關(guān)電源方案，芯片的高度集成化，外圍電路設(shè)計(jì)簡單。電源的性能通過參數(shù)的調(diào)節(jié)仍有提升的空間。雙輸出雙反饋異權(quán)重的設(shè)計(jì)使開關(guān)電源的更加實(shí)用靈活，不同的保護(hù)電路的設(shè)計(jì)，使電源的實(shí)用更加安全可靠，該方案所設(shè)計(jì)的電源在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)良好。