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[導(dǎo)讀]摘要:采用PWM控制器和MOSFET功率開(kāi)關(guān)一體化的集成控制芯片是新一代開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的重要特點(diǎn)和趨勢(shì)。 本文介紹了一種采用TOP245Y集成芯片實(shí)現(xiàn)的開(kāi)關(guān)電源。根據(jù)TOP245Y的特性給出了單端反激式開(kāi)關(guān)電源的工程設(shè)計(jì)方法,

摘要:采用PWM控制器和MOSFET功率開(kāi)關(guān)一體化的集成控制芯片是新一代開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的重要特點(diǎn)和趨勢(shì)。 本文介紹了一種采用TOP245Y集成芯片實(shí)現(xiàn)的開(kāi)關(guān)電源。根據(jù)TOP245Y的特性給出了單端反激式開(kāi)關(guān)電源的工程設(shè)計(jì)方法,對(duì)外圍電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析和討論,并給出設(shè)計(jì)中注意事項(xiàng)。 敘詞:開(kāi)關(guān)電源;單端反激;TOPSwitch_GX;PWM Abstract: the integration controlling chip, which integrated PWM controller and MOSFET power,is the important features and trends of the new generation Switch Mode Power Supply (SMPS). This paper introduced a kind of method to implement the SMPS using TOP245Y. According to the TOP245Y characteristics, the paper provides a engineering method to design of single-flyback switch mode power supply circuit. It analyzes and discusses the external circuit, and gives attention to the design matters Keyword:Switch Mode Power Supply, Single flyback, Topstitch_GX,PWM
1    引言

    開(kāi)關(guān)電源被稱(chēng)為高效節(jié)能型電源,因?yàn)閮?nèi)部電路工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài),自身消耗的能量很低,電源效率可達(dá)80%左右。而通常開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)使用控制電路與功率MOSFET相分立的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),但這種方案開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng),成本高,系統(tǒng)可靠性差。TOPSwitch系列智能開(kāi)關(guān)電源集成芯片具有高集成度、高性?xún)r(jià)比、最簡(jiǎn)外圍電路、最佳性能指標(biāo)等優(yōu)點(diǎn),從而提高了電源的效率,降低了成本,增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性,因此被廣泛地應(yīng)用在中小功率電源中。

2      TOPSwitch_GX器件介紹

    TOPSwitch_GX系列是單片開(kāi)關(guān)電源第四代產(chǎn)品,他將高壓功率MOSFET、PWM控制、過(guò)電流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、關(guān)斷/自動(dòng)重啟動(dòng)電路和其他電路高性?xún)r(jià)比地集成在

    單片CMOS上,還具有從芯片外部設(shè)定電流極限值、軟啟動(dòng)、頻率抖動(dòng)、過(guò)電壓關(guān)斷、欠電壓保護(hù)、過(guò)熱滯后關(guān)斷等功能[1]。通過(guò)高頻變壓器使輸出端與電網(wǎng)完全隔離,真正實(shí)現(xiàn)了無(wú)工頻變壓器、隔離式開(kāi)關(guān)電源的單片集成化,使電源設(shè)計(jì)應(yīng)用更加靈活、方便。

    TOPSwitch_GX屬于漏極開(kāi)路輸出并且利用電流來(lái)線性調(diào)節(jié)占空比的AC/DC電源變換器,即電流控制型開(kāi)關(guān)電源。通過(guò)改變控制端電流IC的大小,能連續(xù)調(diào)節(jié)脈沖占空比,實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制(PWM),它內(nèi)部的脈寬調(diào)制器是一個(gè)電流反饋式的控制電路,利用反饋電流IC來(lái)調(diào)節(jié)占空比D,達(dá)到穩(wěn)壓目的。當(dāng)輸出電壓UO降低時(shí),經(jīng)過(guò)光耦反饋電路使得IC減小,占空比增大,輸出電壓隨之升高,最終使UO維持不變。其中,脈寬調(diào)制(PWM)采用開(kāi)關(guān)頻率固定而占空比可調(diào)的調(diào)試方式。         

3  電路設(shè)計(jì)

圖1    設(shè)計(jì)的電路原理圖

    以TOPSwitch_GX中的TOP245Y為例介紹此類(lèi)控制芯片的應(yīng)用。圖1是使用TOP245Y設(shè)計(jì)出的三路輸出+15V/0.5A、-15V/0.5A、+5V/2A,總輸出功率25W。由于TOPSwitch集成度高,設(shè)計(jì)工作主要針對(duì)外圍電路進(jìn)行,外圍電路可分為輸入整流濾波電路、鉗位保護(hù)電路、變壓器、輸出整流濾波電路及反饋電路5部分[3]。設(shè)供電條件為85V~220VAC(15%),工頻,若不加說(shuō)明,以下設(shè)計(jì)均以此條件為前提,根據(jù)各路輸出功率之和,選擇TOPSwitch芯片,可得到該型號(hào)芯片的各項(xiàng)參數(shù)。

3.1輸入整流濾波電路設(shè)計(jì)

輸入整流濾波電路包括輸入交流濾波、整流、電容穩(wěn)壓三部分。交流濾波主要是濾除交流輸入端的共模干擾和差模干擾,其中C1為安規(guī)電容,是為了去除差模干擾;L1為共模電感,采取雙線并繞,是為了去除共模干擾。整流電路一般選用滿(mǎn)足電流閾值的整流橋。輸入濾波電容C2的容量與電源效率、輸出功率密切相關(guān)。一般對(duì)于寬范圍輸入的開(kāi)關(guān)電源,C2的容量可按比例系數(shù)來(lái)選??;固定輸入時(shí),比例系數(shù)變成。此外,輸入濾波電容的容量大小還決定著直流高壓的數(shù)值。

3.2鉗位保護(hù)電路設(shè)計(jì)

每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi),TOPSwitch的關(guān)斷將導(dǎo)致變壓器漏感產(chǎn)生尖峰電壓。鉗位保護(hù)電路由VS和VD構(gòu)成。其中,VS為瞬態(tài)電壓抑制器,它是一種新型的過(guò)電壓保護(hù)器件,在承受瞬態(tài)高能量電壓時(shí),能迅速反向擊穿,由高阻態(tài)變成低阻態(tài),并把干擾脈沖鉗位于規(guī)定值,從而保證電子元器件不受損壞。VD稱(chēng)為阻塞二極管,一般選用快恢復(fù)二極管。VS和VD的選擇由反射電壓VOR決定,VOR推薦值為135V。VS的鉗位電壓V 由經(jīng)驗(yàn)公式V=1.5VOR得出;VD的耐壓值應(yīng)大于整流后的最大電壓值。

3.3高頻變壓器設(shè)計(jì)

在單端反激式開(kāi)關(guān)電源中,高頻變壓器既是儲(chǔ)能元件又是傳遞能量的主體,設(shè)計(jì)的主要參數(shù)包括初級(jí)電感量LP,變壓器變比 N,初、次級(jí)繞組匝數(shù)NP、NS和反饋繞組匝數(shù) NF 以及各繞組導(dǎo)線線徑等。

   PI公司設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)軟件是一種交互式軟件,可以針對(duì)相關(guān)的硬件芯片、按照使用者提出的電源規(guī)范產(chǎn)生具體能量轉(zhuǎn)換方案。其中包括三個(gè)設(shè)計(jì)軟件分別是:PI Expert、PI Transformers Designer、PIXLs Designer[4]。根據(jù)輸入的電壓、輸出功率及芯片型號(hào),PI Expert軟件可完成電路設(shè)計(jì)的基本結(jié)構(gòu)。PI Transformers Designer軟件是用來(lái)設(shè)計(jì)變壓器的繞線結(jié)構(gòu)、各繞組匝數(shù)及線徑等有關(guān)變壓器的各參數(shù),只需把用PI Expert軟件設(shè)計(jì)保存的文件在PI Transformers Designer中打開(kāi)即可。另外,也可以用PIXLs Designer軟件來(lái)設(shè)計(jì)成電子表格形式的,用此軟件必需要首先選定TOPSwitch型號(hào)和變壓器磁心型號(hào),利用此軟件可以比較清楚地知道電路設(shè)計(jì)過(guò)程中的一些性能參數(shù)及變壓器設(shè)計(jì)的一些中間變量值。但是,在利用這類(lèi)軟件設(shè)計(jì)高頻變壓器之前,必須對(duì)變壓器的設(shè)計(jì)過(guò)程及有關(guān)的一些名詞要有所了解,這樣才能設(shè)計(jì)出高效率高性能的變壓器。[!--empirenews.page--]

3.4輸出整流濾波電路設(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,輸出整流二極管的開(kāi)關(guān)損耗占系統(tǒng)損耗的六分之一到五分之一,是影響開(kāi)關(guān)電源效率的主要因素。肖特基二極管是近年來(lái)間世的低功耗、大電流、超高速半導(dǎo)體器件,由于其反向恢復(fù)時(shí)間極短(可以小到幾納秒),正向?qū)▔航祪H0.4V左右,而整流電流可達(dá)到幾千安培。這些優(yōu)良特性是快恢復(fù)二極管所無(wú)法比擬的。因此適合作為開(kāi)關(guān)電源中的低壓整流管。

3.5反饋電路設(shè)計(jì)

     開(kāi)關(guān)電源的反饋回路有4種基本形式:基本反饋電路;改進(jìn)型反饋電路;帶穩(wěn)壓管的光耦反饋電路和帶TL431的光耦反饋電路[2]。反饋回路的形式依據(jù)輸出電壓精度而決定,本方案使用的“光耦+TL431”。電壓反饋信號(hào)經(jīng)分壓網(wǎng)絡(luò)引入TL431的參考端,轉(zhuǎn)化為電流反饋信號(hào),然后經(jīng)過(guò)光耦隔離后輸入TOPSwitch的控制端。

     TL431稱(chēng)為可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器,利用兩只外部電阻可設(shè)定2.50~36V范圍內(nèi)的任何基準(zhǔn)電壓值。其工作原理是當(dāng)輸出電壓UO發(fā)生波動(dòng)時(shí),經(jīng)電阻分壓后得到的取樣電壓就與TL431中的2.5V帶隙基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較,在陰極上形成誤差電壓,使發(fā)光二極管的工作電流IF產(chǎn)生相應(yīng)變化,再通過(guò)光耦去改變控制端電流IC的大小,調(diào)節(jié)TOPSwitch的輸出占空比,使UO不變,從而達(dá)到穩(wěn)壓目的。根據(jù)TL431的工作原理,兩個(gè)分壓電阻的選取要求比較嚴(yán)格,因此可把上面的一個(gè)分壓電阻設(shè)計(jì)成一個(gè)固定阻值電阻和一個(gè)可調(diào)電阻的串聯(lián),用來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓的精度。

   在設(shè)計(jì)光耦反饋式開(kāi)關(guān)電源時(shí),光耦的選取可根據(jù)以下原則:光耦的電流傳輸比(CTR)的允許范圍是50%~200%,并且要用線性光耦。因?yàn)槠胀ü怦畹腃TR-IF特性呈非線性,在IF較小時(shí)的非線性失真尤為嚴(yán)重,不適合傳輸模擬信號(hào)。還有,在設(shè)計(jì)反饋回路時(shí),反饋信號(hào)要經(jīng)過(guò)光耦隔離后輸入TOPSwitch的控制端,而控制端的電流IC和占空比D有關(guān),所以光耦的反饋電流以及與其有關(guān)的電阻阻值的選取比較重要,直接決定電路反饋回路性能。

     4  測(cè)試結(jié)果分析

   根據(jù)以上設(shè)計(jì)原則,使用TOP245Y芯片設(shè)計(jì)出了+5V/2A、+15V/0.5A、-15V/0.5A三路輸出開(kāi)關(guān)電源,圖2~圖4給出了實(shí)測(cè)波形。由圖可見(jiàn),滿(mǎn)載時(shí),電源工作在最大占空比35%左右。輸出紋波由變壓器漏感導(dǎo)致的尖峰電壓及輸出整流二極管關(guān)斷時(shí)所產(chǎn)生,這些提高變壓器制造工藝以及優(yōu)化PCB布線等方法加以改善。

5         結(jié)論

本文采用TOP245Y設(shè)計(jì)出了一種三路輸出單端反激式開(kāi)關(guān)電源并給出了設(shè)計(jì)方法。論文針對(duì)開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的5部分電路分別進(jìn)行了分析和工程設(shè)計(jì),提出了改進(jìn)電路設(shè)計(jì)和性能的方法。另外,在畫(huà)PCB圖時(shí)需注意:TOPSwitch開(kāi)關(guān)的源腳引線應(yīng)非常短,旁路電容應(yīng)盡可能靠近源腳和控制腳,同時(shí)源腳應(yīng)單點(diǎn)接地;開(kāi)關(guān)電源在輕載或空載輸出時(shí),為了抑制輸出電壓偏高,應(yīng)在輸出端加一個(gè)假負(fù)載電阻。這些有助于提高開(kāi)關(guān)電源的性能和效率。

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