TOPSwitch Ⅱ在穩(wěn)壓電源中的應(yīng)用

1 引言

在進(jìn)行電路和單片機(jī)實驗時，實驗穩(wěn)壓電源是必需的設(shè)備之一，對這類穩(wěn)壓電源，功率容量并不要求很大，但要有多組輸出電壓，其中最好有一組輸出電壓能夠連續(xù)可調(diào)，以適應(yīng)不同場合的需要。市售的實驗穩(wěn)壓電源種類很多，但基本上都是采用工頻線性穩(wěn)壓方式。其優(yōu)點是簡單、易制造、價格低，缺點是體大笨重和效率低。采用高頻開關(guān)電源是克服上述缺點的有效途徑，但一般的高頻開關(guān)電源電路復(fù)雜，元器件較多，制作成本也會有所提高，所以目前在實驗穩(wěn)壓電源中采用高頻開關(guān)技術(shù)的仍不多見。然而采用TOPSwitch等新型器件制作的高頻開關(guān)電源，電路可以做得和工頻線性穩(wěn)壓電源一樣簡單，性能很優(yōu)越，效率卻遠(yuǎn)高于后者，而成本也不會有明顯的增加。

TOPSwitch器件是美國功率集成公司（PowerIntegrationsInc），于90年代中期推出的新型高頻開關(guān)電源芯片。它是三端脫線式PWM開關(guān)的英文縮寫（Three?terminaloff?linePWMSwitch）。它的特點是將高頻開關(guān)電源中的PWM控制器和MOSFET功率開關(guān)管集成在同一芯片上，是一種二合一器件。這大大簡化了電源電路，提高了可靠性，使得電源的設(shè)計更加簡單快捷。TOPSwitch器件有多種封裝形式，采用DIP－8和SMD－8封裝的，中間4只為空腳，可以將它們接到印刷電路板的銅箔上，將芯片產(chǎn)生的熱量直接傳到印刷電路板上，不必另設(shè)散熱器，節(jié)省了成本。采用TO220封裝的，只有3只管腳，使用起來就和一只大功率三極管一樣便利。此外由于PWM控制器和MOSFET功率開關(guān)管是在管殼內(nèi)連接的，連線極短，這就消除了高頻輻射現(xiàn)象，改善了電源的電磁兼容性能，減小了器件對電路板布局和輸入總線瞬變的要求。TOPSwitch－II是TOPSwitch的改進(jìn)型號，它將單電壓輸入時的最大功率100W提高到150W，電磁兼容性也得到增強(qiáng)，該器件具有更高的性能價格比。TOPSwitch－II器件包括TOP225－TOP227等幾個型號，主要差別就在于輸出功率的不同。TOPSwitch?II器件的內(nèi)部電路與性能分別見圖1和表1所示。

圖1 TOPSwitch－Ⅱ系列器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

表1 TOPSwitch－Ⅱ的產(chǎn)品分類及最大輸出功率POM

2 工作原理

該電源電路拓?fù)錇閱味朔醇な?，電路原理見圖2所示。220V市電經(jīng)電源噪聲濾波器LF后再通過橋式整流器直接整流。電源濾波器的作用一方面是濾除由電網(wǎng)傳來的雜波電壓，凈化輸入電源，另一方面也阻止高頻開關(guān)電源的振蕩電壓竄入電網(wǎng)，干擾其它電器?，F(xiàn)在很多電源設(shè)計不重視電源濾波器的選擇，一些中小功率的高頻開關(guān)電源往往不加電源濾波器，這樣不僅降低了電源本身的抗干擾能力，影響其工作穩(wěn)定性，而且也造成對公共電網(wǎng)的污染。市電經(jīng)整流和電容濾波后，變成308V的直流電壓供給TOPSwitch－II器件，TOPSwitch－II構(gòu)成DC/DC變換器，它將輸入的直流高壓變成脈寬可調(diào)的高頻脈沖電壓，經(jīng)高頻變壓器降壓后再進(jìn)行半波整流和濾波，變成所需要的直流電壓輸出。R1、C1、VD1組成緩沖吸收電路，吸收功率器件在關(guān)斷過程中由于變壓器漏感產(chǎn)生的電壓尖峰過沖，電路的工作頻率為100kHz，振蕩元件已固化在器件內(nèi)部，高頻變壓器的次級有4個繞組，其中的5V/3A繞組N3控制TOPSwitch－II器件的脈寬，即這一組輸出電壓為PWM穩(wěn)壓，由并聯(lián)可編程穩(wěn)壓器TL431和光電耦合器PC及分壓電阻R7、R8完成取樣反饋工作。之所以選擇這一繞組進(jìn)行脈寬控制，是因為它的輸出電壓低電流大，更能體現(xiàn)出開關(guān)電源的優(yōu)越性。為了實現(xiàn)對光耦的隔離供電，變壓器單設(shè)了一個輔助繞組N2。±12V/0.5A繞組N4及N5采用集成三端穩(wěn)壓器LM7812和LM7912進(jìn)行線性穩(wěn)壓，因輸出電流不大，功耗較低，散熱問題容易解決。次級中還有一個1.25V～30V/1.5A的可調(diào)繞組N6，采用了可調(diào)三端穩(wěn)壓器LM317進(jìn)行線性穩(wěn)壓和調(diào)壓，為了克服線性穩(wěn)壓在低壓輸出時，功耗大和效率低的缺點，此繞組設(shè)置了高、低兩個抽頭，抽頭的變換由繼電器自動切換，切換電壓設(shè)在15V，由TL431取樣。當(dāng)要求輸出電壓低于15V時，TL431的參考輸入端的電壓低于2.5V，TL431截止，繼電器K不吸合，低壓繞組被接通。反之，當(dāng)要求輸出電壓高于15V時，TL431的參考輸入端的電壓高于2.5V，TL431導(dǎo)通，繼電器吸合，高壓繞組被接通。電壓表PV指示輸出電壓的數(shù)值。

圖2 穩(wěn)壓電源原理圖

TOPSwitch－II器件型號的選擇

本電源總輸出功率為各組輸出功率之和：

PO=5×3＋12×2×0.5＋30×1.5=72W

若電源總的效率為80％，則電源輸入的總功率應(yīng)為：

Pi=PO/80％=72/0.8=90W

從表1可以看出，在220V單一電壓條件下，TOP225Y的最大輸出功率為100W，能夠滿足本電路要求。

3高頻變壓器的設(shè)計

在制作單端反激式高頻開關(guān)電源時，高頻變壓器的設(shè)計與計算是至關(guān)重要的，其工作量也是比較大的。

假定交流輸入電壓的范圍是180V～260V，整流器壓降和輸出電壓紋波為22V，最大占空比為Dmax=0.5，則

K=Uimax/Uimin=364/230=1.58

Dmin=Dmax/[(1－Dmax)K＋Dmax]=0.5/[(1－0.5)×1.58＋0.5]=0.38

Ip=2PO/(Uimin×Dmax)=2×90/(230×0.5)=1.57A

(1)變壓器初級電感量

Lp=Uimin×Dmax/(Ip×f)=230×0.5/(1.57×100×103)=0.73mH

選擇南京CONDA公司的PQ32/30磁芯、LP3材料、AL=1.61、磁通密度B=0.39T，變壓器工作在單端狀態(tài)，最大工作磁通

Bmax=B/2=0.39/2=0.19T

為避免出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象，變壓器磁芯要留有空氣隙，其長度

Lg=0.4×π×Lp×Ip2/(AL×B2max)=0.4×3.14×0.73×10－3×1.572/(1.61×0.192)=0.04cm

(2)變壓器初級匝數(shù)N1

N1=Lp×Ip×104/(AL×Bmax)=0.73×10－3×1.57×104/1.61×0.19=38匝（取整）

（3）5V繞組匝數(shù)N3

N3=N1（UO＋UD）（1－Dmax）/(Uimin×Dmax)=38×(8＋1)(1－0.5)/(230×0.5)=1匝（取整）

（4）±12V繞組匝數(shù)N4、N5

N4=N5=N1（UO＋UD）（1－Dmax）/(Uimin×Dmax)=38×(15＋1)×(1－0.5)/(230×0.5)=3匝（取整）

（5）反饋繞組匝數(shù)N2=N4=N5

（6）1.25V～30V可調(diào)繞組匝數(shù)N6

N6=N1（UO＋UD）（1－Dmax）/(Uimin×Dmax)=38×(33＋1)(1－0.5)/(230×0.5)=6匝（取整）

在3匝處抽頭

上述計算匝數(shù)各公式中的UO為輸出電壓（取額定輸出電壓＋穩(wěn)壓器壓降3V），UD為快恢復(fù)二極管壓降，取1V。

采用高強(qiáng)度漆包線繞制，各繞組所用漆包的線徑如下：

N1用?0.71mm

N2、N4、N5用?0.42mm

N3用?0.99mm

N6用?0.72mm

5V繞組的輸出濾波電感線圈L1選?4cm磁環(huán)，用?1.0mm漆包線穿繞15匝。

高、低壓切換繼電器用JZC22F，DC12V/10A，電壓表的型號為85C1、表盤刻度0～30V。

高頻變壓器的計算過程是很繁瑣的，要考慮大量相互關(guān)聯(lián)的設(shè)計變量，費力耗時。為減輕設(shè)計者負(fù)擔(dān)，美國功率集成公司特為TOPSwitch器件設(shè)計了一套EXCEL電子表格，可以在PC機(jī)上運行。應(yīng)用電子表格設(shè)計電源，簡單快捷，一般只要10分鐘左右即可完成。中國電源學(xué)會1999年第13屆年會上，曾有一篇論文，專門介紹了EXCEL電子表格，讀者可參閱該文，這里不再贅述。