基于TOPSwitch的多路輸出電源的設(shè)計(jì)

   引言

　　隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)傳動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，其中尤以交-直-交變頻調(diào)速應(yīng)用最為普遍。交-直-交變頻調(diào)速電路包括整流及逆變部分，其中逆變部分典型為6個(gè)開(kāi)關(guān)單元(IGBT或MOS管)，上、下臂各3個(gè)，也有的加上制動(dòng)單元為7個(gè)開(kāi)關(guān)單元。因?yàn)樯媳?個(gè)單元的控制觸發(fā)脈沖信號(hào)的參考地是懸浮的，故觸發(fā)脈沖一般需要相互隔離的4組電源(上臂3個(gè)單元分別供電，下臂共用一組電源)。當(dāng)然，若軟件配合控制，給出充電脈沖，上臂3個(gè)單元的電源采用自舉電路，則只用一組電源即可。這里只討論采用4組電源的情況。逆變器的控制輔助電源有3個(gè)特點(diǎn)：1)具有多路輸出電壓。本文介紹的電源就有5V、±15V、四組16V觸發(fā)脈沖電源、12V偏置電源、24V共9路輸出電壓。其中，5V、±15V輸出電壓共地，其余輸出電壓均為獨(dú)立輸出電壓。2)四組脈沖電源要求輸出電壓一致性較好，穩(wěn)壓精度較高。3)四組脈沖電源要求能提供較大的瞬時(shí)功率，但平均功率較小。要滿(mǎn)足上述要求而又簡(jiǎn)單、成本低，采用美國(guó)PI公司的TOPSwitch系列產(chǎn)品不失為一種較好的選擇。TOPSwitch系列產(chǎn)品將MOS管和PWM控制

器集成在一個(gè)芯片之中，外圍電路十分簡(jiǎn)單，功率范圍涵蓋了數(shù)瓦到數(shù)百瓦，芯片封裝形式多種多樣，有的芯片還具有過(guò)溫、過(guò)流及輸入電壓過(guò)、欠壓等保護(hù)功能，能靈活適應(yīng)許多電源的設(shè)計(jì)。PI公司還推出了TOPSwitch系列產(chǎn)品的輔助設(shè)計(jì)軟件，以方便使用者快速、準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)出所需要的電源。筆者在做一個(gè)伺服控制器項(xiàng)目時(shí)其輔助電源就選用了TOPSwitch產(chǎn)品來(lái)設(shè)計(jì)，作為一個(gè)典型例子，下面簡(jiǎn)要介紹其設(shè)計(jì)方法及要點(diǎn)。

　　電路沒(méi)計(jì)

　　電源設(shè)計(jì)要求

　　輸入電壓VIN范圍：180VAc～240VAc。各輸出電壓幅值及額定負(fù)載分別為：Vo1：5.8V，1A；Vo2：15V，0.2A；Vo3：-15V，0.2A；Vo4：24V，0.1A；Vo5：16V，0.2A；Vo6：16V，0.1A；Vo7：16V，0.1A；Vo8：16V，0.1A；VBIA：12V，0.02A。要求工作可靠，所占空間小，成本較低。

　　TOPSwitch器件選型

　　在本電源中，Po=22.44w，電源工作于密閉的控制柜中，為了工作可靠應(yīng)具有過(guò)溫、過(guò)流及輸入過(guò)、欠壓等保護(hù)措施，綜合考慮后，我們選擇了TOPSwitch-GX系列的TOP243R器件。該器件在輸入電壓為230VAC±15％時(shí)，在適配器工作環(huán)境下(對(duì)應(yīng)于密閉環(huán)境)最大輸出功率為29W，且有過(guò)溫、過(guò)流及輸入過(guò)、欠壓等保護(hù)功能，"R"型封裝便于利用PCB覆銅層散熱，省去散熱器。

　　高頻變壓器設(shè)計(jì)

　　針對(duì)采用TOPSwitch系列產(chǎn)品的電源設(shè)計(jì)，PI公司推出了PI Expert輔助設(shè)計(jì)軟件。只要輸入電源設(shè)計(jì)要求，該軟件會(huì)快速、準(zhǔn)確地給出設(shè)計(jì)結(jié)果，包括推薦采用的TOPSwitch系列產(chǎn)品、變壓器磁芯及變壓器初、次級(jí)繞組參數(shù)等。但目前版本只支持最多5組次級(jí)輸出繞組，若輸出繞組大于5組，則可按下述步驟手工計(jì)算變壓器繞組參數(shù)：

       　　
      
       式中VACMIN為最小輸入交流電壓，Po為輸出功率，fL為輸入線(xiàn)電壓頻率，tC為橋式整流傳導(dǎo)時(shí)間，典型值為3ms，η為效率(一般取0.8)，CIN為輸入濾波電容(一般取輸出功率(w)的2～3倍(μF))。

       　　
      
       式中VOR為反射電壓。對(duì)TOP2XX系列器件而言，VOR≤135V，這里取135V。VDS為主開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)D、S端間壓降，典型值為10V。

       　　
      
       則式中KRP為紋波電流與峰值電流比。在連續(xù)工作模式下，對(duì)230VAC輸入，KRP≥0.6，這里KRP取0.6。

則式中fs為工作開(kāi)關(guān)頻率，這里fs=132KHz，則

 

      　　
      
       次級(jí)繞組匝數(shù)Ns：對(duì)TOPSwitch器件來(lái)說(shuō)，在85～265VAC或230VAC輸入時(shí)，Ns取0.6匝/V，故Ns=(Vo+VD)×0.6。式中Vo為輸出電壓，VD為輸出二極管正向壓降。一般對(duì)肖特基二極管VD取0.4V，對(duì)超快恢復(fù)二極管VD取0.7V。本電源中，5.8V輸出二極管采用新電元公司的DE3S4M，根據(jù)資料其VD=0.55V。因此，5.8V輸出電壓的繞組匝數(shù)N5.8V=(5.8V+0.55)×0.6=3.81(匝)，取整數(shù)為4匝。

       　　
      
       取16匝。

　　以上主要介紹了變壓器繞組匝數(shù)及初級(jí)繞組電感的計(jì)算，變壓器磁芯氣隙長(zhǎng)度及繞組線(xiàn)徑等參數(shù)的計(jì)算選 擇在此不再贅述。電源電路如圖1所示。

　　
       設(shè)計(jì)要點(diǎn)

　根據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下3方面：

　　變壓器繞制工藝

　　為使初、次級(jí)繞組耦合好，漏感小，應(yīng)采用"初包次"的繞法。另外，因?yàn)?V、15V繞組共地，故在繞制15V繞組時(shí)可采用堆疊式繞法，即將5V繞組作為15V繞組的一部分，這樣可加強(qiáng)磁耦合，改善15V電壓輕載時(shí)的穩(wěn)壓性能，減少需要的骨架引腳，降低制造成本。對(duì)于不共地的其他繞組只能采用分離式繞法，其優(yōu)點(diǎn)是可靈活排列。為了減小漏感引起的能量損失，應(yīng)將輸出電流較大的繞組靠近里層初級(jí)繞組。

　　因?yàn)?組觸發(fā)脈沖電源平均功率較小，為使其電壓一致性(亦即輕載穩(wěn)壓性能)較好，應(yīng)將4組繞組并繞。若不夠繞滿(mǎn)一層，可采用多根并繞的方式使其繞滿(mǎn)一層，這樣雖然成本有所提高，但可有效地提高4組脈沖電源的電壓一致性。筆者繞制的變壓器采用上述工藝后，4組電源最高、最低輸出電壓差減小為0.25V。

　　TOPSwitch器件散熱設(shè)計(jì)

　　因?yàn)樵撾娫垂β什淮螅蔬x用TOP243R型器件，利用PCB板覆銅層散熱。在散熱設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意：1)將散熱面設(shè)計(jì)成鍍錫層，即在散熱面的覆銅層上只鍍一層錫，不加阻焊漆，一來(lái)有利于散熱，二來(lái)可保護(hù)覆銅層以免受潮、氧化。但這樣覆銅層絕緣性能受到影響，不適用于直接裸露無(wú)外罩的電源。2)盡可能加大散熱面積。3)若為雙面板或多層板，應(yīng)在各層、面間加適當(dāng)金屬化過(guò)孔以降低熱阻，利于散熱。

　　PCB設(shè)計(jì)

　　應(yīng)注意電源及變壓器的初、次級(jí)在空間上保持適當(dāng)距離，避免相互干擾。初、次級(jí)分別"鋪地"，一來(lái)可減小電磁干擾，二來(lái)方便連接。"一點(diǎn)接地"原則，即TOPSwitch器件的控制端的參考地、偏置電源的參考地與其"S"端(主電路的參考地)必須盡量接在"一點(diǎn)"，這里的"一點(diǎn)"即指電路原理上的"一點(diǎn)"，也指PCB板上物理位置的"一點(diǎn)"。其目的是避免主電路上的較大脈沖電流流經(jīng)控制電路地線(xiàn)從而引起控制地線(xiàn)上的壓降，干擾正常的控制信號(hào)。

　　結(jié)語(yǔ)

　　該電源已用于筆者設(shè)計(jì)的伺服電機(jī)控制器中，經(jīng)實(shí)際試驗(yàn)表明，該電源性能良好，工作可靠，元件少，所占空間小，成本低，滿(mǎn)足使用要求，也可廣泛適用于類(lèi)似的逆變器應(yīng)用場(chǎng)合。