單端反激式雙輸出開關(guān)電源設(shè)計(jì)

1、單端反激式雙輸出開關(guān)電源設(shè)計(jì)第 33 卷第 2 期2010年 4 月 遼寧科技大學(xué)JournalofUniversityofScienceandTechnologyLiaoningV01.33No.2Apr.,2010 單端反激式雙輸出開關(guān)電源設(shè)計(jì) 王琳,刁嫣妲 ,李榮震,孟艷萍 .,朱連成 (1.鞍山供電公司高新技術(shù)開發(fā)區(qū)供電分公司 , 遼寧鞍山 114051;2.鞍山供電公司電 能計(jì)量所 ,遼寧鞍山 114002:3.鞍山供電公司設(shè)計(jì)院 ,遼寧鞍山 114002;4.遼寧科技大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 ,遼 寧鞍山 114051)摘要:介紹了一種基于 TOP246 的單端反激式雙輸出開關(guān)電源設(shè)

2、計(jì) ,結(jié)合自制的脈 沖變壓器 .用于交流 85 265V 的寬電壓輸入 ,實(shí)現(xiàn)直流 24v/2A 高精度,直流 l2v/1A 雙輸出.實(shí)驗(yàn)證明 ,設(shè)計(jì) 在實(shí)際電路中表現(xiàn)出良好的電氣特性 ,可以為相關(guān)設(shè)計(jì)提供較好的參考和借鑒 . 關(guān)鍵詞:開關(guān)電源;反激式變換器 ;反饋回路 ;脈沖變壓器 ;寬電壓 中圖分類號(hào) :TM44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A 文章編號(hào) :1674 1048(2010)020t4104 開關(guān)電源是現(xiàn)代化機(jī)電產(chǎn)品中常用的供電裝置 ,可以不受各個(gè)國家交流電網(wǎng)的限 制,廣泛應(yīng)用在相關(guān)的設(shè)備中 ,其效能高低直接關(guān)系到機(jī)電設(shè)備的性能 .開關(guān)電源設(shè)計(jì)主要包含電路 設(shè)計(jì)和磁路設(shè)計(jì) .本文針對(duì)反激式隔

3、離變換器口 ,給出基于 TOP 管的開關(guān)電源設(shè)計(jì)方案 ,并具體設(shè) 計(jì)出一個(gè)可用于交流85-265V 寬電壓輸入和直流 24V/2A, 直流 12V/1A 雙輸出的單端反激式開關(guān)電源 . 設(shè)計(jì)采用相位補(bǔ)償技術(shù) ,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性 ,增加抗干擾能力 .通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性和可 行性.1電路設(shè)計(jì)1.1 基本原理反激式隔離變換器是中小功率開關(guān)電源最為常用的變換器之一,其典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 l 所示 .其 中,+V 為整流后的輸入電壓 ;T 為脈沖變 壓器 ,設(shè)計(jì)中還應(yīng)有回路控制的偏置繞組 ;D 為輸出回路的快恢復(fù)肖特基整流二極管 ;R 和 C. 為其阻容吸收電路 ; 輸出電路還包括由 電感 L.和兩

4、個(gè)電容 C.組成的一個(gè) 7c 型低通 濾波電路 ;變壓器初級(jí)有尺 ,C 和 D 組成的 RCD 漏感尖峰吸收電路 ;Q 為控制脈沖變壓 器一次繞組導(dǎo)通和截止的反激式變換器所需 的開關(guān)功率 MoS 管;N 為初級(jí)繞組匝數(shù) ,N 為次級(jí)繞組匝數(shù) ;設(shè)計(jì)中變壓器一次側(cè)與二次 圖 t 反激式變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1Topologicalstructureofflybackconverter 側(cè)的地信號(hào)采用安規(guī)電容隔離 ;?表示同名端 . 在反激式變換器中 ,功率開關(guān)管將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)變成一些列的方波信號(hào)施加 于脈沖變壓器初級(jí)繞組上 ,通過脈沖變壓器的電磁能量轉(zhuǎn)換與傳遞 ,經(jīng)過整流二極管 ,濾波電路處

5、 理后,給負(fù)載 R 提供 所需要的優(yōu)質(zhì)電壓和功率 .1.2TOP管輔助電路 采用內(nèi)部集成功率 MOS 管的 TOP246 作為開關(guān)控制器件 ,額定負(fù)載功率為 90w, 再加以外圍電收稿日期 :20091220.作者簡介 :王琳(1978 一),男,遼寧鞍山人 ,工程師 ,主要從事電網(wǎng)調(diào)度及電源優(yōu)化的 研究工作 .?142?遼寧科技大學(xué)第 33 卷路,可以實(shí)現(xiàn)過壓 ,欠壓,過流,過熱等保護(hù)功能 .實(shí)際使用的 TOP管電路連接,如圖 2 所示.圖2中,C與R,C2:組成低通濾波和穩(wěn)壓電路 ,可以有效濾除 TOP246管腳 1受到的 干擾信號(hào) .R.接于交流電壓整流后輸出的直流電壓 ,作為系統(tǒng)電壓檢

6、測(cè) ,當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)過電壓或 欠電壓時(shí) ,TOP246管將自動(dòng)封鎖脈沖輸出 ,禁止脈沖變壓器工作 .u.引腳用來作為變壓器的偏置繞組 輸入端 ,與內(nèi)部集成的 MOS 管管腳 6 配合,反向控制 PWM 輸出占空比 ,即管腳 1 流入的電流越大 , 管腳 6 輸出的 PWM占空比越小 ;反之,則越大.U 接變壓器的初級(jí)繞組同名端 .ITOP246圖 2TOP246 管腳電路連接Fig.2TOP246pinsconnection1.3 反饋回路圖 3 改進(jìn)型輸出反饋電路Fig.3Improvedoutputfeedbackcircuit 采用具有精密電壓基準(zhǔn)的三端可編程并聯(lián)穩(wěn)壓二極管 TL431A 和

7、線性光耦 PCS17B構(gòu)成系統(tǒng)的反饋控制回路 ,利用偏置繞組 ,控制 TOP 管的占空比 ,實(shí)現(xiàn)反激式變換器輸出電壓的 精準(zhǔn)控制 .TL431A檢測(cè)輸出的電壓 (+24V)越大,經(jīng)過線性光耦 PC817B變換,流人 TOP管腳 1的電流 越大,TOP管控制內(nèi)部 MOS 管導(dǎo)通和關(guān)斷的占空比與輸入 1 腳的電流成反比 ,使輸出電壓降低 ,維 持了輸出電壓的穩(wěn) 定 ;反之亦然 .為了提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性 ,設(shè)計(jì)采用相位補(bǔ)償技術(shù) 2j. 如圖 3 所示 ,增加 C 與 R 后, 提高了系統(tǒng)的相角裕度和幅值裕度 .改進(jìn)后系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性如圖 4 所示 .系統(tǒng)的穿越 頻率約為 2.58kHz,相角余

8、量約為 48.3.,系統(tǒng)穩(wěn)定 .3l_4:禧蓑_頻率, Hz圖 4 改進(jìn)后的幅頻和相頻特性Fig.4Improvedamplitude-frequencyandphase-frequencycharacteristic1.4 脈沖變壓器箝位吸收保護(hù)電路如圖 5中虛線框所示 ,采用 z十RCD帶浪涌保護(hù)的漏感尖峰吸收電路 ,將MOS管 的電壓箝位在175V 以內(nèi) ,防止電壓過高擊穿 MOS 管 .1.5 輸出濾波電路為了確保系統(tǒng)輸出電壓紋波較小 ,設(shè)計(jì)采取了相應(yīng)濾波去噪技術(shù) .采用 LC 構(gòu)成低通濾波器濾除 定的高頻干擾 ,濾波電容可按 1000/,F/A 經(jīng)驗(yàn)值選擇容量 .同時(shí) ,輸出采用效抑

9、制共 模和差模干擾的電感還可以避免系統(tǒng)對(duì)其他電路和電氣設(shè)備的干擾 .實(shí)驗(yàn)調(diào)試后的 EMI 良好 . 脈沖變壓器初級(jí)箝位與輸出濾波電路 ,如圖 5 所示 .第 2 期王琳 ,等 : 單端反激式雙輸出開關(guān)電源設(shè)計(jì)lICtll5KE20CA 門 l51I7豐cIPKMUR2lOOECRr,RTN7./圖 5 脈沖變壓器初級(jí)箝位與輸出濾波電路 Fig.5Primaryclampingandoutputfiltercircuitofpulsetransformer2磁路設(shè)計(jì)磁路部分包括高頻脈沖變壓器和各濾波電感等 .其中 ,脈沖變壓器是現(xiàn)代開關(guān)電源 的核心元件 ,實(shí)際應(yīng)用中主要起到能量傳遞 ,電壓變換和

10、電氣隔離的作用 .脈沖變壓器的性能好壞 不僅影響變壓器自身的發(fā)熱和效率 ,而且還會(huì)影響到開關(guān)電源的技術(shù)性能指標(biāo)及其可靠性 .在脈沖變 壓器的設(shè)計(jì)和制作過程中,磁芯材料 ,磁芯和線圈結(jié)構(gòu) ,繞制工藝等必須全面考慮 l3j.2.1 脈沖變壓器參數(shù)根據(jù)面積乘積法 ,按最大值選擇 ,設(shè)計(jì)中脈沖變壓器采用 EFD30 扁平型磁芯骨架 . 為提高繞組的利用率 ,采用多根漆包線并繞技術(shù) ,既可以提高繞組載流量 ,也能有效減少集膚效 應(yīng)影響 _4.脈沖變壓器原繞組采用直徑為 0.35mm的 2股漆包線并繞匝數(shù) 14圈;輸出為直流 24V的次 級(jí)繞組采用直徑為0.45mm的4股漆包線并繞匝數(shù) 3圈;輸出直流 1

11、2V的副繞組直徑為 0.35ITIITI 的 3 股漆包線并繞匝數(shù) 3 圈,偏置繞組為直徑 0.35ITIITI 的單股漆包線繞 4 圈 . 經(jīng)過驗(yàn)證 ,變壓器參數(shù)滿足要求 ,設(shè)計(jì)合理 .2.2 系統(tǒng)輸入的 EMI 濾波電感和整流電路系統(tǒng)輸入 EMI 濾波電感采用 UF10.5 骨架,設(shè)計(jì)電感量為 6.1mH_5.系統(tǒng)交流電源 輸入與濾波 ,整流電路 ,如圖 6 所示.圖 6 系統(tǒng)交流電源輸入和整流電路 Fig.6Alternatingcurrentinputofsystemandrectifiercircuit 圖6中,AC-L 和AC-N 為輸入的交流電壓 ,范圍為 85-265V;PE接

12、電源外殼,作為保 護(hù)接地線 ;R 為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻 ,尺 ,為壓敏電阻 ;C,C 為 X 系列安規(guī)電容 ;C 為 Y 系列的 安規(guī)電容 ;BR?144?遼寧科技大學(xué)第 33 卷為整流橋 ;C.為變壓器直流電壓輸入的高頻低阻電容 .3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果系統(tǒng)滿載連續(xù)工作 8h 后,功率芯片溫度為 51,符合溫升要求 .部分電壓波形 ,如圖 7 所示 .圖7中,脈沖變壓器二次側(cè)輸出的 24V 電壓波形 ,最大值為 28V,最小值為一 60V;經(jīng)過 輸出整流二極管及其阻容吸收后的波形 ,最大值 25.2V,最小值 22.6V,阻容電路吸收效果較好 ;經(jīng)過 輸出低通濾波電路后的波形 ,最大值為 24.0V,

13、最小值為 23.4V,平均值為 23.7V,精度為 1.25%;系統(tǒng) 輸出的 12V電壓波形 ,最大值為 11.9V,最小值 11.9V.2萎2出6時(shí) j,t/s2>1通波的 12V f: 的 I2 電波 一一 .一一一時(shí)問,t/s圖 7 部分買驗(yàn)結(jié)果波形Fig.7Waveformsofsomeexperimentresults4 結(jié)語介紹的基于 TOP 管的寬范圍交流電壓輸入 ,高精度直流電壓輸出的單端反激式隔 離變換器雙輸出開關(guān)電源方案 ,通過滿載和交流 1.5kV 耐壓試驗(yàn) ,結(jié)果證實(shí) ,設(shè)計(jì)符合要求 ,電氣性 能可靠 ,可以為同類電路設(shè)計(jì)提供一定的參考和借鑒 .參考文獻(xiàn) :1 張

14、志薇 .具有高功率因數(shù)的多路輸出反激變換器的研究D 】.哈爾濱工業(yè)大學(xué),2006.2 王闖瑞 ,胡榮強(qiáng) ,黃慶義 ,等.反激型開關(guān)電源反饋回路的改進(jìn)J.通信電源技術(shù),2005(4):4244.3 曹豐文,李冬黎 ,劉振來 .小功率反激式開關(guān)變壓器的設(shè)計(jì)與制作 J.電工技術(shù)雜 志,2002(5):5456.4 coBosJA,GARCIAO,SEBASTIONJ,eta1.Ronantresetforwardtopologiesforlowou tputvoltageonboardeonve一eC/.AppliedPowerElectronicsConferenceandExposition,A

15、PEC94ConferenceProc eedings1994.NinthAnnml,1994:703.708.5 馮慈璋 ,馬西奎 .工程電磁場(chǎng)導(dǎo) eeM.北京:高等教育出版社 ,2003:92.126. DesignofswitchpowersupplyofsinglefeedbackwithdoubleoutputsW;Lin,D0Yan 一,LJRong-zhen,ME,GYahping.,ZHULian cheng(1.DepartmentofHighandNewTechnologyIndustrialDevelopmeritZone,AnshanPowerS upplyCompan

16、y,Anshan114051.China;2.ElectricEnergyMeasurementStation,AnshanPowerSupplyCompany,Anshan114002, China;3.DesignInstitute,AnshanPowerSupplyCompany,Anshan114002,China;4.SchoolofElectronicandInformationEngineering,UniversityofScienceandTechnology Liaoning,Anshan114051,China)Abstract:AswitchpowersupplyofsingleflybackwithdoubleoutputswithTOP246isdesign ed,whichis combinedwithself-madepulsetransformer,andappliedtothewidevoltageinputof85-265V .Theswitch powersupplyrealizesahighaccuracyfor24VDC