超寬范圍輸入的開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)

0 引言

開關(guān)電源基于自身的體積小巧和轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)已在電子產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用，特別是美國(guó)PI公司開發(fā)的TOPSwitch系列高頻開關(guān)電源集成芯片的出現(xiàn)，使電路設(shè)計(jì)更為標(biāo)準(zhǔn)成熟、簡(jiǎn)潔便捷。但該TOPSwitch系列的集成芯片其典型輸入電壓設(shè)計(jì)為不高于275V的情況下工作，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，電網(wǎng)的電壓往往受用電負(fù)載的變化而變動(dòng)，特別是負(fù)載較大時(shí)情況尤其嚴(yán)重，另外現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的干擾尖峰也會(huì)疊加在輸入電壓上一起進(jìn)入電源電路，致使在惡劣環(huán)境下正常供電的電源芯片或其它的元件極其容易損壞。超寬范圍輸入的電源可在輸入80～400V的范圍內(nèi)正常工作，同時(shí)也為現(xiàn)場(chǎng)任意采用220V相電壓或380V線電壓，還是一次高壓互感器出來的100V電壓，均可直接使用提供了方便。

1 基于TOP242N的多路實(shí)用開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

本文利用了TOP242N設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)用的三路輸出的開關(guān)電源，其輸出分別為5 V／0．6A、5V／0．1 A、15V／0．15A，電路原理圖如圖1所示。要求輸入電壓范圍為交流80～400V，輸出總功率約為6W左右。

1)前端電路設(shè)計(jì)

當(dāng)輸入電壓要求為AC400V時(shí)，考慮輸入時(shí)電源的波動(dòng)變化為±15％，則最高輸入電壓將達(dá)到460V左右，此輸入電壓經(jīng)整流濾波后，其電壓可達(dá)650V左右，再考慮加上輸出反饋的電壓Uor和漏感形成的尖峰電壓疊加后其最高電壓將超過800V，而該芯片的最高電壓為700V，為了保證TOP242能正常安全工作，在設(shè)計(jì)前端電路時(shí)增加了一個(gè)MOS管，讓MOS管與TOP242串接，并實(shí)現(xiàn)與TOP管同步開關(guān)來提高整體耐壓。本設(shè)計(jì)采用的MOS管是IR公司的IRFBC20，其耐壓為600V，導(dǎo)通關(guān)斷時(shí)間為幾十個(gè)ns，這可以大大減少開關(guān)損耗。MOS管的通斷由TOP242N控制，這樣可以使MOS管和TOP242N內(nèi)部的開關(guān)管時(shí)序保持一致，見圖1。

2)外圍控制電路設(shè)計(jì)

該電路將TOP242N的極限電流設(shè)置為內(nèi)部最大值，將TOP242N設(shè)為全頻工作方式，開關(guān)頻率為1 32kHz，把多功能腳M與S短接。

3)穩(wěn)壓反饋電路設(shè)計(jì)

反饋回路的形式由輸出電壓的精度決定，本設(shè)計(jì)采用“光耦加TL431”的反饋方式，見圖1。它可以將輸出電壓的變動(dòng)控制在±1％以內(nèi)，反饋電壓由5V輸出端取樣。電壓反饋信號(hào)通過電阻分壓器R10、 R11獲得取樣電壓后，將與TL431中的2．5V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較并輸出誤差電壓，然后通過光耦改變TOP242N的控制端電流Lc，再通過改變占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓使其保持不變。光耦的另一作用是對(duì)冷地和熱地進(jìn)行隔離。尖峰電壓經(jīng)R8、C4濾波后，可使偏置電壓即使在負(fù)載較重時(shí)，也能保持穩(wěn)定，調(diào)節(jié)電阻R10、R11可改變輸出電壓的大小。

4)高頻變壓器設(shè)計(jì)

一般應(yīng)選用能夠滿足高頻開關(guān)的錳鋅鐵氧體磁心，為便于繞制，磁心形狀可選用EI或EE型，變壓器的初、次級(jí)繞組應(yīng)相間繞制。高頻變壓器的設(shè)計(jì)由于要考慮大量的相互關(guān)聯(lián)變量，因此計(jì)算較為復(fù)雜，為減輕設(shè)計(jì)者的工作量，PI公司為TOPSwitch開關(guān)電源的高頻變壓器設(shè)計(jì)制作了專用的設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)者可以方便地應(yīng)用該軟件設(shè)計(jì)高頻變壓器。

5)次級(jí)輸出電路設(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。整流二極管選用肖特基二極管可降低損耗并消除輸出電壓的紋波，但肖特基二極管應(yīng)加上功率較大的散熱器；電容器一般應(yīng)選擇低ESR等效串聯(lián)阻抗的電容。為提高輸出電壓的濾波效果，濾除高頻開關(guān)過程所產(chǎn)生的電壓噪聲和電壓尖峰，在整流濾波環(huán)節(jié)的后面通常應(yīng)再加一級(jí)LC濾波環(huán)節(jié)。

6)保護(hù)電路設(shè)計(jì)

為了保護(hù)電源在瞬間高壓下能正常工作，在電源的輸入端還設(shè)計(jì)了附加的過電壓保護(hù)措施，見圖1，即在輸入端并接了較大功率的壓敏電阻，并且在后級(jí)加上共模電感和負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，可有效的抑制開機(jī)瞬間的電壓浪涌沖擊。為防止在開關(guān)周期內(nèi)，TOP242N關(guān)斷時(shí)漏感產(chǎn)生的尖峰電壓使TOP242N損壞，電路中設(shè)計(jì)了由鉗位齊納管VD5、阻斷二極管VD6組成的保護(hù)網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)在正常工作時(shí)，VD5上的損耗很?。欢趩?dòng)或過載時(shí)，VD5即會(huì)限制漏極電壓。

2 電源性能測(cè)試及結(jié)果分析

根據(jù)以上設(shè)計(jì)方法，對(duì)采用TOP242N設(shè)計(jì)的多路輸出開關(guān)電源的性能進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該電源在交流輸入60～500V時(shí)，且在60°高溫條件下，電源都能可靠穩(wěn)定工作，電源的效率約為85％以上，紋波電壓、輸出電壓穩(wěn)定精度都在規(guī)定的范圍內(nèi)。在EMC測(cè)試中，浪涌±4000V，快速脈沖群土4000V也能正常工作，各項(xiàng)性能指標(biāo)經(jīng)測(cè)試均較滿意。

3 結(jié)束語

如本文所述，由于在前端設(shè)計(jì)時(shí)增加了串接的場(chǎng)效應(yīng)管同步開關(guān)，使集成芯片TOP242的工作電壓范圍大大擴(kuò)展，有效地提高了開關(guān)電源在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)各種環(huán)境下工作的可靠性和便利性，實(shí)用性能強(qiáng)。本文的設(shè)計(jì)原理可應(yīng)用在TOPSwitch系列或其它系列的電源集成芯片的耐壓擴(kuò)展，有較好的應(yīng)用效果。