一種基于TOP227Y的脈沖開關(guān)電源設(shè)計(jì)
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脈沖電源是各種電源設(shè)備中比較特殊的一種,它的電壓或電流波形為脈沖狀。其實(shí)質(zhì)上是一種通斷的直流電源,其基本工作原理是首先經(jīng)過慢儲(chǔ)能,使初級(jí)能源具有足夠的能量,然后向中間儲(chǔ)能和脈沖成形系統(tǒng)放電(或流入能量),能量經(jīng)過儲(chǔ)存、壓縮形成脈沖或轉(zhuǎn)化等復(fù)雜過程之后,形成脈沖電源。
隨著開關(guān)電源的發(fā)展,電源的小型化、模塊化、智能化越來越受到人們的關(guān)注。各種電源控制芯片如雨后春筍紛紛涌現(xiàn),美國(guó)電源集成(PI)公司相繼推出TOP系列芯片,這些芯片集脈沖信號(hào)控制電路和功率開關(guān)器件MOSEFT于一體,具有高集成度、最簡(jiǎn)外圍電路、最佳性能指標(biāo)等特點(diǎn),能組成高效率無工頻變壓器的隔離式開關(guān)電源。所以,本文設(shè)計(jì)基于TOP227Y芯片控制的開關(guān)電源。
1 總體結(jié)構(gòu)
本文設(shè)計(jì)的脈沖開關(guān)電源總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
由圖1可知,輸入220 V交流電流,先由4個(gè)二極管的全橋整流,然后通過TOP227Y開關(guān)和高頻變壓器變壓,再經(jīng)過二次整流、電容濾波和電感平波,輸出150 W的直流電。高頻變壓器二次側(cè)有3個(gè)繞組,2路輸出功率,另一路為反饋回路提供電源。反饋回路從輸出端進(jìn)行電壓取樣,通過光耦來控制脈沖控制開關(guān)的通斷,調(diào)節(jié)輸出功率。
2 高頻變壓器主要參數(shù)設(shè)計(jì)
高頻變壓器在開關(guān)電源中起很重要的作用,它主要是傳輸功率,實(shí)現(xiàn)輸入輸出兩側(cè)的電氣隔離。同時(shí),可通過改變初次級(jí)的匝數(shù)比來改變輸出電壓,也可增加匝數(shù)不同的次級(jí),以達(dá)到獲得多輸出的目的。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,選擇某廠的功率鐵氧體LP3作為高頻變壓器的磁芯。采用面積乘積(AP)法設(shè)計(jì)變壓器:
式(1)中,Ps為視在功率,取370 W;Bm為工作通磁通密度,取125 mT;fs為工作頻率,取45 kHz;Kf為波形系數(shù),方波取4;Kw為變壓器銅窗占用系數(shù),取0.2;J為電流密度,取400 A/cm2,故AP=4.1 cm4,據(jù)此選用磁芯結(jié)構(gòu)為EE42A。
計(jì)算初次級(jí)匝比:
式中,Vin(min)為初級(jí)最小輸入電壓;Dmax為最大占空比,取45%;Vo為輸出電壓;Vf為輸出端整流二極管壓降,計(jì)算得n=3,驗(yàn)證最大占空比為40.65%。[!--empirenews.page--]
原邊匝數(shù):
其中ton為導(dǎo)通時(shí)間;△B為工作磁通范圍,取250 mT,計(jì)算Np為36。
副邊匝數(shù):
復(fù)位繞組匝數(shù)NR=Np=36。
考慮趨膚效應(yīng)后各線徑的取值分別為:初級(jí)繞級(jí)為36匝、4股并繞;次級(jí)繞級(jí)為12匝、4股并繞;復(fù)位繞級(jí)為36匝;輔助電源繞組為3匝。
另外,應(yīng)在降低高頻變壓器損耗、減少變壓器漏感、控制溫升等方面采取相應(yīng)的措施,以保證高頻變壓器能滿足設(shè)計(jì)要求。
3 主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
交流電220 V通過由兩個(gè)橋臂組成不可控全橋輸入,經(jīng)電容組成的濾波器可抑制電磁噪聲,因而在小型的開關(guān)電源中只需簡(jiǎn)單的濾波器就可以有效削弱噪聲,更重要的是濾去高次波,VD1,VD2,VD3,VD4組成整流電路,整流后的脈動(dòng)直流經(jīng)C1濾波,提供給主電路和開關(guān)調(diào)制電路,高頻變壓器的次級(jí)繞組有3個(gè),2個(gè)是主繞組,作用是提供電源主能量,高頻變壓器經(jīng)快速恢復(fù)二極管VD5和VD6整流后由濾波電容C2,C3濾波,再經(jīng)L1組成的低通濾波器向負(fù)載輸出。L1主要是抑制高頻電壓向負(fù)載輸出,加上L1以后也能使輸出的電壓波形更平整,以防止負(fù)載受其干擾。輸出端的電容器C4是為了讓輸出的不平整波紋更平整,它主要是為了降低交流電壓的波紋系數(shù)而加的,第二路的輸出原理和第一路相似。主電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。
4 控制電路設(shè)計(jì)
高頻變壓器一次繞組除了向主電路次級(jí)繞組提供能量外,還向另一個(gè)次級(jí)繞組組成反饋電壓繞組提供能量,反饋繞組的電壓兩端串聯(lián)一個(gè)分壓電阻后加在一個(gè)光耦上,反饋繞組的兩極之間接一個(gè)電容濾波器,濾掉高次諧波,輸出的反饋電壓加在光耦發(fā)光二極管的正極上。電阻R3,R2和穩(wěn)壓管VDZ組成基準(zhǔn)電壓源,為光耦提供基準(zhǔn)電壓,這樣光耦中的二極管的發(fā)光強(qiáng)度是由輸出電壓控制的,經(jīng)光耦耦合到TOP227Y的控制端從而實(shí)現(xiàn)脈寬的可控,達(dá)到穩(wěn)壓的目的,控制電路的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。[!--empirenews.page--]
4.1 TOP227Y工作原理
TOP227Y開關(guān)工作原理框圖見圖4所示,主要包括10個(gè)部分:控制電壓源;帶隙基準(zhǔn)電壓源;振蕩器;并聯(lián)調(diào)整器/誤差放大器;脈寬調(diào)制器;門驅(qū)動(dòng)級(jí)和輸出級(jí);過電流保護(hù)電路;過熱保護(hù)及上電復(fù)位電路;關(guān)斷/自動(dòng)重啟動(dòng)電路;高壓電源源。圖4中Zc為控制端的動(dòng)態(tài)阻抗,RFB是誤差電壓檢測(cè)電阻。RA與CA構(gòu)成截止頻率為7 kHz的低通濾波器。TOP227Y的基本工作原理是利用反饋電流Ic來調(diào)節(jié)占空比D。
4.1.1 控制電壓源
控制電壓源Uc能向并聯(lián)調(diào)整器和門驅(qū)動(dòng)級(jí)提供偏置電壓,而控制端電流Ic則能調(diào)節(jié)占空比。Uc有2種工作模式:一種是滯后調(diào)節(jié),用于啟動(dòng)和過載兩種情況,具有延遲控制作用;另一種是并聯(lián)調(diào)節(jié),用于分離誤差信號(hào)與控制電路的高壓電流源。剛啟動(dòng)電路時(shí)由D-C極之間的高壓電流源提供控制端電流Ic。
4.1.2 帶隙基準(zhǔn)電壓源
帶隙基準(zhǔn)電壓源除向內(nèi)部提供各種基準(zhǔn)電壓之外,還產(chǎn)生一個(gè)具有溫度補(bǔ)償并可調(diào)整的電流源,以保證精確設(shè)定振蕩器頻率和門極驅(qū)動(dòng)電流。
4.1.3 振蕩器
內(nèi)部振蕩電容是在設(shè)定的上、下閾值UH,UL間周期性線性充放電,以產(chǎn)生脈寬調(diào)制器所需要的鋸齒波(SAW),與此同時(shí)還產(chǎn)生最大占空比信號(hào)(Dmax)和時(shí)鐘信號(hào)(CLOCK)。為減小電磁干擾,提高電源效率,振蕩頻率(即開關(guān)頻率)設(shè)計(jì)為100 kHz,脈沖波形的占空比設(shè)定為P。
4.1.4 放大器
誤差放大器的增益由控制端的動(dòng)態(tài)阻抗Zc來設(shè)定。Zc的變化范圍是10~20 Ω,典型值為15 Ω。誤差放大器將反饋電壓UFB與5.7 V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較后,輸出誤差電流Ir,在RFB上形成誤差電壓Ur。
4.1.5 脈寬調(diào)制器(PWM)
脈寬調(diào)制器是一個(gè)電壓反饋式控制電路,它具有2層含義:改變控制端電流Ic大小,即可調(diào)節(jié)占空比P實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制;誤差電壓Ur經(jīng)由RA,CA組成截止頻率為7 kHz的低通濾波器,濾掉開關(guān)噪聲電壓之后加至PWM比較器的同相輸入端,再與鋸齒波電壓UJ進(jìn)行比較,產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)UPWM。UPWM通過與門DA1、或門DO之后,可將觸發(fā)器I置零,使Q=0,把功率MOSFET關(guān)斷;而時(shí)鐘信號(hào)再把觸發(fā)器置位,使Q=1,又使功率MOSFET導(dǎo)通,從而實(shí)現(xiàn)了脈寬調(diào)制信號(hào)的功率輸出。[!--empirenews.page--]
4.1.6 門驅(qū)動(dòng)級(jí)
門驅(qū)動(dòng)級(jí)DN用于驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管(MOSFET),使之按一定速率導(dǎo)通,從而將共模電磁干擾減至最小。
4.1.7 過流保護(hù)電路
過流比較器的反相輸入端接閾值電Ulimit,同相輸人端接MOSFET管的漏極。ID過大,UDS(ON)>Ulimit,過電流比較器就翻轉(zhuǎn),輸出變成高電平,經(jīng)過DA2,DO,將觸發(fā)器I置零,進(jìn)而使功率MOSFET關(guān)斷,起到過電流保護(hù)作用。
4.1.8 過熱保護(hù)電路
當(dāng)芯片結(jié)溫Tj>135℃時(shí),過熱保護(hù)電路就輸出高電平,將觸發(fā)器Ⅱ置位,使Q=1,關(guān)斷輸出級(jí)。此時(shí)Uc進(jìn)入滯后調(diào)節(jié)模式,Uc端波形也變成幅度為4.7 V~5.7 V的鋸齒波。若要重新啟動(dòng)電路,需斷電后再接通電源開關(guān)或者將Uc降至3.3 V以下,達(dá)到Uc(reset)值,再利用上電復(fù)位電路將觸發(fā)器Ⅱ置零,使功率MOSFET恢復(fù)正常工作。
4.1.9 關(guān)斷/自動(dòng)重啟動(dòng)電路
一旦調(diào)節(jié)失控,關(guān)斷/自動(dòng)重啟動(dòng)電路立即使芯片在5%占空比下工作,同時(shí)切斷從外部流人控制端的電流Ic,Uc再次進(jìn)入滯后調(diào)節(jié)模式。倘若故障已排除,Uc又回到并聯(lián)調(diào)節(jié)模式,自動(dòng)重新啟動(dòng)電源恢復(fù)正常工作。
4.1.10 高壓電流源
在啟動(dòng)或滯后調(diào)節(jié)模式下,高壓電流源經(jīng)過電子開關(guān)S給內(nèi)部電路提供偏置,并且對(duì)CT進(jìn)行充電。電源正常工作時(shí)S改接內(nèi)部電源,將高壓電流源關(guān)斷。當(dāng)TOP227Y開關(guān)啟動(dòng)操作時(shí),在控制端環(huán)路振蕩電路的控制下漏極端有電流流入芯片提供開環(huán)輸入,該輸入通過旁路調(diào)整器、誤差放大器,由控制端進(jìn)行閉環(huán)調(diào)整,改變Ic,經(jīng)由PWM控制MOSFET的輸出占空比,最后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。
5 整機(jī)電路
輸入工頻220 V的電壓時(shí)經(jīng)過全橋整流電路整出脈動(dòng)的直流電,然后由C1和L組成的濾波器濾去高次波,再經(jīng)過高頻變壓器和快速二極管VD2,VD3將電壓變換成20 V的直流電壓,為了得到更平直的直流電壓,加上L1和C4,為了使電壓平穩(wěn)性更好,L1設(shè)定為1.1 mH,電容選用為7 mF,工頻電經(jīng)過這一系列變換,輸出值就是為直流15 V,10 A,電路圖如圖5所示。
另一路是工頻電經(jīng)過高頻變壓器和快速二極管VD5,VD6將電壓變換成10 V,5 A的直流電,為了得到更平直的直流電壓,加上L2和C7。第一路輸出功率為150 W,第二路輸出功率為50 W,總功率為200 W。
TOP227Y開關(guān)能調(diào)節(jié)輸出脈寬,當(dāng)因電網(wǎng)或者負(fù)載變化引起輸出電壓變大時(shí),電壓會(huì)通過反饋回路反饋到光耦,發(fā)光二極管發(fā)光增強(qiáng),光敏三極管受到強(qiáng)光通過的電流增大,這個(gè)電流將回饋到TOP227Y芯片的控制端,而使TOP227Y芯片輸出的脈寬變小,于是輸出電壓降低反則亦然,因此達(dá)到穩(wěn)壓目的。
6 結(jié)語
本文設(shè)計(jì)一種基于TOP227Y脈沖控制芯片的2路輸出正激式穩(wěn)壓電源,該開關(guān)電源利用TOP227Y內(nèi)部脈寬調(diào)制器等功能塊的作用,對(duì)輸出電壓進(jìn)行控制,以達(dá)到穩(wěn)壓的目的。該開關(guān)電源有兩路輸出,功率不同,正負(fù)半周均可傳遞能量,電源利用效率高,具有很好的應(yīng)用前景。