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[導(dǎo)讀] 本文介紹了一種基于TOP247Y的多路開關(guān)穩(wěn)壓電源,其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、制作調(diào)試方便,基本上能達(dá)到所要求的條件。     TOPSwitch-GX系列芯片工作原理  圖1給出了TOP247Y芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖,共有6個(gè)引出端,它

 本文介紹了一種基于TOP247Y的多路開關(guān)穩(wěn)壓電源,其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、制作調(diào)試方便,基本上能達(dá)到所要求的條件。

  


 

  TOPSwitch-GX系列芯片工作原理

  圖1給出了TOP247Y芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖,共有6個(gè)引出端,它們分別是控制端C、線路檢測端L、極限電流設(shè)定端X、源極S、開關(guān)頻率選擇端F和漏極D。利用線路檢測端(L)可實(shí)現(xiàn)4種功能:過壓(OV)保護(hù);欠壓(UV)保護(hù);電壓前饋(當(dāng)電網(wǎng)電壓過低時(shí)用來降低最大占空比);遠(yuǎn)程通/斷(ON/OFF)和同步。而利用極限電流設(shè)定端,可從外部設(shè)定芯片的極限電流。在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)都要檢測功率MOSFET漏源極導(dǎo)通電阻Ros(on)上的漏極峰值電流ID(PK),當(dāng)ID(PK)>ILIMIT時(shí),過電流比較器就輸出高電平,依次經(jīng)過觸發(fā)器、主控門和驅(qū)動(dòng)級(jí),將MOSFET關(guān)斷,起到過電流保護(hù)作用。

  電源啟動(dòng)時(shí),連接在漏極和源極之間的內(nèi)部高壓電流源向控制極充電,在RE兩端產(chǎn)生壓降,經(jīng)RC濾波后,輸入到PWM比較器的同相端,與振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波電壓相比較,產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)并驅(qū)動(dòng)MOSFET管,因而可通過控制極外接的電容充電過程來實(shí)現(xiàn)電路的軟啟動(dòng)。當(dāng)控制極電壓Uc達(dá)到5.8V時(shí),內(nèi)部高壓電流源關(guān)閉,此時(shí)由反饋控制電流向Uc供電。在正常工作階段,由外界電路構(gòu)成電壓負(fù)反饋控制環(huán),調(diào)節(jié)輸出級(jí)MOSFET的占空比以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。當(dāng)輸出電壓升高時(shí),Uc升高,采樣電阻RE上的誤差電壓亦升高。而在與鋸齒波比較后,將使輸出電壓的占空比減小,從而使開關(guān)電源的電壓減小。當(dāng)控制極電壓低于4.8V時(shí),MOSFET管關(guān)閉,控制電路處于小電流等待狀態(tài),內(nèi)部高壓電流源重新接通并向Uc充電,其關(guān)斷/自動(dòng)復(fù)位滯回比較器可使Uc保持在4.8~5.8V之間。當(dāng)開關(guān)電源的負(fù)載很輕時(shí),能自動(dòng)將開關(guān)頻率從132kHz降低到30kHz(半頻模式下則由66kHz降至15kHz),可降低開關(guān)損耗,進(jìn)一步提高電源效率。

  多路輸出的開關(guān)電源設(shè)計(jì)

  由TOP247Y構(gòu)成的多路開關(guān)電源原理圖見圖2,其中輸出三路200mA、15V的直流電,一路400mA、15V的直流電,以及1A、5V的直流電。多路電源用高頻變壓器獲得多組電壓輸出,經(jīng)快速恢復(fù)二極管、電容濾波后得到多路直流電源。

  當(dāng)電源輸入交流85~265V時(shí),交流電壓U依次經(jīng)過電磁干擾(EMI)濾波器(C1,L1)、輸入整流濾波器(KBL406G,C2)獲得直流高壓UI。UI經(jīng)過R1接L端,能使極限電流隨UI升高而降低。它使用C3,VD型漏極鉗位二極管P6KE200A和阻斷二極管D1,以替代價(jià)格較高的TVS(瞬態(tài)電壓抑制器),用于吸收在TOP247Y關(guān)斷時(shí)由高頻變壓器漏感產(chǎn)生的尖峰電壓,對(duì)漏極起到保護(hù)作用。次級(jí)電壓經(jīng)過整流、濾波后獲得多路輸出。其中15V電源輸出所用的是快速恢復(fù)二極管,其他輸出用的二極管是肖特基二極管,其目的是減少整流管的損耗。

  

 

  由TOP247Y構(gòu)成的多路開關(guān)電源原理圖[!--empirenews.page--]

  該電源采用3枚芯片,包括TOP247Y(U1)、光耦合器LTV817A,以及可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓管LM431。為減小高頻變壓器體積和增強(qiáng)磁場耦合程度,次級(jí)繞組采用了堆疊式繞法。其穩(wěn)壓原理為,U=UR4+UZ+ULM431。當(dāng)U發(fā)生變化時(shí),如U增加時(shí),流過光耦的電流增大,光耦輸出的電流隨著增大,流經(jīng)TOP247Y控制端的電流增加,而占空比則減小,從而U下降,這樣達(dá)到穩(wěn)壓的目的,反之U減小時(shí)也有相同的原理。

  可調(diào)精密穩(wěn)壓管LM431的內(nèi)部參考電壓為2.495V,輸出電壓經(jīng)電位器和R7分壓,可調(diào)電壓在2.5V(基準(zhǔn)值)至37V(最大值)之間。R6和C18構(gòu)成LM431的頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。C19為軟啟動(dòng)電容。除5V電壓外,其余各路輸出未加反饋,輸出電壓均由高頻變壓器的匝數(shù)比來確定。R9~R12是15V輸出的假負(fù)載,它能降低該路的空載及輕載電壓。

  另外,為了盡可能減少電磁干擾,在開關(guān)電源的輸入側(cè)接入共模扼流圈,可以明顯改善電磁噪聲。而安全電容C6能濾除一次、二次繞組耦合電容產(chǎn)生的共模干擾,電容C1可濾除電網(wǎng)線之間的串模干擾。

  高頻變壓器的設(shè)計(jì)

  該開關(guān)電源是一個(gè)具有多路輸出的直流電源,由高頻變壓器N個(gè)二次繞組經(jīng)整流濾波后獲得。因此開關(guān)電源的性能在很大程度上決定于變壓器的設(shè)計(jì)。

  ● 功率計(jì)算

  高頻變壓器的二次繞組有三路15V完全相同的直流輸出,另一路15V電壓的電流為400mA,5V電壓提供給其他的芯片,再加上反饋繞組,故由以上設(shè)定條件可知,高頻變壓器的輸出功率為:

  P0=15×0.2×3+15×1×0.4+5×1=20W

  考慮反饋繞組和裕量,實(shí)際選用功率為25W。

  ● 磁芯的選用

  根據(jù)參考文獻(xiàn)給出的輸出功率與磁芯尺寸的關(guān)系,本開關(guān)電源選用EI-33磁芯,其額定輸出頻率為25kHz、50kHz和100kHz三種,可以選擇其中的一種,磁芯有效截面積Ae=119.3,Le=67.6,Ve=8067.4。

  ● 繞組匝數(shù)的計(jì)算

  由開關(guān)電源設(shè)計(jì)的特點(diǎn),在確定功率開關(guān)元件MOS管的工作頻率時(shí),若工作頻率較低,則噪聲較大;若工作頻率較高,開關(guān)損耗將增大,但可使變壓器、電容等小型化。因此在確定開關(guān)頻率時(shí)要折衷考慮。設(shè)定工作頻率為25kHz,ρ=0.5,η=0.94。ρ為PWM調(diào)制的占空比,η為變壓器的效率。

  則原邊電感量Lp為:

  其中,P0為輸出功率,η為變壓器的效率,Z為損耗分配因數(shù)(通常令Z=0.5),fs為開關(guān)頻率。 變壓器一次繞組電流:

  變壓器匝數(shù)比:

  變壓器二次繞組匝數(shù):

  實(shí)取N=9(匝)。一次繞組匝數(shù):

  5V直流輸出側(cè)的繞組匝數(shù):

  使用TOP247Y的注意事項(xiàng)

  ● 輸入濾波電容C2的負(fù)極直接連反饋繞組,以便將反饋繞組上的浪涌電流直接返回到輸入濾波電容,以提高抑制浪涌干擾的能力。

  ● TOP247Y控制端附近的電容應(yīng)盡可能靠近源極和控制端的引端。S極與C、L、X端過通過一條獨(dú)立的支路相連,不可共享一條支路。

  ● S、L、X端的引線與外圍相關(guān)元件的距離也要盡可能短,并且遠(yuǎn)離漏極的支路要防止產(chǎn)生噪聲耦合。

  ● 線路檢測電阻R1應(yīng)盡可能接近于L引腳。

  結(jié)束語

  綜上所述,采用TOPSwitch-GX系列芯片設(shè)計(jì)的低功率開關(guān)電源,電路結(jié)構(gòu)簡單,效率高,成本低。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測定,輸出電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率均在設(shè)定范圍內(nèi),實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該開關(guān)電源是可靠的。

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