多路單端反激式開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)_胡志強(qiáng)

1、現(xiàn)代電子技術(shù)Modern Electronics Technique2013年7月15日第36卷第14期 單片開(kāi)關(guān)電源自問(wèn)世以來(lái),以其效率高,體積小,集成度高,功能穩(wěn)定等特點(diǎn)迅速在中小功率精密穩(wěn)壓電源領(lǐng)域占據(jù)重要地位。美國(guó)PI 公司的TOPSwitch 系列器件即是一種新型三端離線式單片高頻開(kāi)關(guān)電源芯片,開(kāi)關(guān)頻率f s 高達(dá)100kHz ,此芯片將PWM 控制器、高耐壓功率MOSFET 、保護(hù)電路等高度集成,外圍連接少許器件即可使用12。本文介紹了一種基于TOP223Y 輸出為+5V/3A ,+12V/1A 的單端反激式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)原理和方法。1設(shè)計(jì)原理開(kāi)關(guān)電源是涉及眾多學(xué)科的一門(mén)應(yīng)用領(lǐng)域,

2、通過(guò)控制功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通與關(guān)閉調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制占空比達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的,能夠?qū)崿F(xiàn)AC/DC 或者DC/DC 轉(zhuǎn)換。TOP223Y 共三個(gè)端:控制極C 、源極S 、漏極D 。因只有漏極D 用作脈寬調(diào)制功率控制輸出,故稱(chēng)單端;高頻變壓器在功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)只是將能量存儲(chǔ)在初級(jí)繞組中,起到電感的作用,在功率開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)才將能量傳遞給次級(jí)繞組,起變壓作用,故稱(chēng)反激式1。圖1開(kāi)關(guān)電源控制原理框圖電路功能部分主要由輸入/輸出整流濾波、功率變換、反饋電路組成。工作原理簡(jiǎn)述為:220V 市電交流經(jīng)過(guò)整流濾波得到直流電壓,再經(jīng)TOP223Y 脈寬調(diào)制和高頻變壓器DCAC 變換得到高頻矩形波電壓,最后經(jīng)輸出整流濾波得到品

3、質(zhì)優(yōu)良的直流電壓,同時(shí)反饋回路通過(guò)對(duì)輸出電壓的采樣、比較和放大處理,將得到的電流信號(hào)輸入到TOP223Y 的控制端C ,控制占空比調(diào)節(jié)輸出,使輸出電壓穩(wěn)定。2設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)作為某智能儀器的供電電源,具體的參數(shù)要求如下:交流輸入電壓最小值:V ACMIN =85V ;交流輸入電壓最大值:V ACMAX =265V ;輸出:U 1:+5V/3A ;U 2:+12V/1A ;輸出功率:P o =27W ;偏置電壓:V B =12V ;電網(wǎng)頻率f L =多路單端反激式開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)胡志強(qiáng)1,王改云1,王遠(yuǎn)2(1.桂林電子科技大學(xué),廣西桂林541004;2.山東華宇職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山東德州253034摘要:設(shè)

4、計(jì)了一種基于TOP223Y 多路輸出單端反激式開(kāi)關(guān)電源。采用TOP Switch 系列三端高頻單片開(kāi)關(guān)電源芯片,配合由TL431、PC817A 組成的反饋系統(tǒng)對(duì)外圍電路進(jìn)行分析。設(shè)計(jì)出了一種輸出為+5V/3A ,+12V/1A 不同穩(wěn)壓調(diào)整權(quán)重分別為0.6,0.4的AC/DC 開(kāi)關(guān)電源。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該開(kāi)關(guān)電源不但效率高,紋波小,而且輸出精度高和穩(wěn)定性強(qiáng)。關(guān)鍵詞:開(kāi)關(guān)電源;單端反激;高頻變壓器;雙反饋中圖分類(lèi)號(hào):TN70234文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1004373X (201314016204Design of multi channel switching power supply with

5、 single ended flybackHU Zhiqiang 1,WANG Gaiyun 1,WANG Yuan2(1.Guilin University of Electronic Technology ,Guilin 541004,China ;2.Shandong Huayu Vocational College ,Dezhou 253034,China Abstract :A TOP223Ybased switching power supply with multichannel output singleend flyback AC/DC module was designed

6、.Peripheral circuits are analyzed by TOP Switch series singlechip switching power supply chip and the feedback system composed of TL431and PC817A.The AC/DC switching power supply whose voltage stabilization adjusting weight is 0.6and 0.4with the outputs of +5V/3A and +12V/1A was designed.The experim

7、ental results show that the switching power supply has highefficiency ,small ripple ,high output accuracy and high stability.Keywords :switching power supply ;singleended flyback ;highfrequency transformer ;double feedback收稿日期:20130216162第14期胡志強(qiáng),等:多路單端反激式開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)50Hz;開(kāi)關(guān)頻率f s=100kHz;紋波電壓:小于100mV;電源效率:大

8、于80%;損耗分配因數(shù)Z為0.5;功率因數(shù)為0.5。3設(shè)計(jì)實(shí)例本設(shè)計(jì)是基于TOP223Y的多路單端反激式開(kāi)關(guān)電源,性能優(yōu)越,便于集成。電路原理如圖2所示,可分為輸入保護(hù)電路、輸入整流濾波電路、鉗位保護(hù)電路、高頻變壓器、輸出整流濾波電路、反饋回路、控制電路7個(gè)部分。圖2開(kāi)關(guān)電源電路原理圖3.1輸入保護(hù)電路由保險(xiǎn)絲F1、熱敏電阻R T和壓敏電阻R V組成,對(duì)輸入端進(jìn)行過(guò)電壓、過(guò)電流保護(hù)。保險(xiǎn)絲F1用于當(dāng)線路出現(xiàn)故障產(chǎn)生過(guò)電流時(shí)切斷電路,保護(hù)電路元器件不被損壞,其額定電流I F1按照I F1>2I ACRMS選擇3A/250VAC保險(xiǎn)絲,其中I ACRMS為原邊有效電流值。熱敏電阻R T用以吸

9、收開(kāi)機(jī)浪涌電流,避免瞬間電流過(guò)大,對(duì)整流二極管和保險(xiǎn)絲帶來(lái)沖擊,造成損壞,加入熱敏電阻可以有效提高電源設(shè)計(jì)的安全系數(shù),其阻值按照R RT1>0.014V ACMAX/I ACRMS選擇10D11 (10/2.4A。壓敏電阻R V能在斷開(kāi)交流輸入時(shí)提供放電通路,以防止大電流沖擊,同時(shí)對(duì)沖擊電壓也有較好鉗位作用。R V選取MY31270/3,標(biāo)稱(chēng)值為220V。3.2輸入整流濾波電路由EMI濾波電路、整流電路、穩(wěn)壓電路組成。EMI濾波電路針對(duì)來(lái)自電網(wǎng)噪聲干擾。采用由L1, C X1,C X2,C Y1,C Y2構(gòu)成典型的型濾波器。C X1和C X2用來(lái)濾除來(lái)自電網(wǎng)的差模干擾,稱(chēng)為X電容,通常取

10、值100220nF,這里取100F;C Y1和C Y2用來(lái)濾除來(lái)自電網(wǎng)的共模干擾,稱(chēng)為Y電容,通常取值為1 4.7nF,這里取2.2nF;同樣用來(lái)消除共模干擾的共模電感L1的取值833mH,這里取8mH,采取雙線并繞。輸入整流電路選擇不可控全波整流橋。整流橋的反向耐壓值應(yīng)大于1.25倍的最大直流輸入電壓,整流橋的額定電流應(yīng)大于兩倍的交流輸入的有效值,計(jì)算后選擇反向擊穿電壓為560V,額定電流為3A的KBP306整流橋。在當(dāng)前的供電條件下,輸入儲(chǔ)能電容器C IN的值根據(jù)輸出功率按照23F/W來(lái)取值,考慮余量,取C IN= 100F/400V的電解電容。假設(shè)整流橋中二極管導(dǎo)通時(shí)間為t c=3ms,

11、可由:VMIN= =99>90(1V MAX=2V ACMAX=375(2得到輸入直流電壓的最小值和最大值。3.3鉗位保護(hù)電路當(dāng)功率開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí),由于漏感的影響,高頻變壓器的初級(jí)繞組上會(huì)產(chǎn)生反射電壓和尖峰電壓,這些電壓會(huì)直接施加在TOPSwitch芯片的漏極上,不加保護(hù)極容易使功率開(kāi)關(guān)MOSFET燒壞。加入由R1、C2和VD1組成經(jīng)典的RCD鉗位保護(hù)電路,則可以有效地吸收尖峰沖擊將漏極電壓鉗位在200V左右,保護(hù)芯片不受損壞。推薦鉗位電阻R1取27k/2W,VD1鉗位阻斷二極管快恢復(fù)二極管耐壓800V的FR106,鉗位電容選取22nF/ 600V的CBB電容。3.4高頻變壓器磁芯是制造高頻

12、變壓器的重要組成,設(shè)計(jì)時(shí)合理、正確地選擇磁芯材料、參數(shù)、結(jié)構(gòu),對(duì)變壓器的使用性能和可靠性,將產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。高頻變壓器磁芯只工作在磁滯回線的第一象限。在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)只儲(chǔ)存能量,而在截止時(shí)向負(fù)載傳遞能量。因?yàn)殚_(kāi)關(guān)頻率為100kHz,屬于比較高的類(lèi)型,所以選擇材料時(shí)選擇在此頻率下效率較高的鐵氧體,由:A e=0.13×P MAX=0.71(3估算磁芯有效截面積為0.71cm2,根據(jù)計(jì)算出的A e考慮到閾量, 查閱磁芯手冊(cè),選取EE2825,其磁芯長(zhǎng)度A=163現(xiàn)代電子技術(shù)2013年第36卷28mm,有效截面積S J=0.869cm2,有效磁路長(zhǎng)度L=5.77cm,磁芯的等效電感A L

13、=3.3H/匝2,骨架寬度B w=9.60mm。(1最大占空比。根據(jù)式(1,代入數(shù)據(jù):寬范圍輸入時(shí),次級(jí)反射到初級(jí)的反射電壓V oR取135V,查閱TOP223Y數(shù)據(jù)手冊(cè)知MOSFET導(dǎo)通時(shí)的漏極至源極的電壓V DS=10V,則:D MAX=V oRV oR+(V MIN-V DS=135 135+(99-10=0.603=60.3%(4(2設(shè)置K RP。K RP=I R I P,其中I R為初級(jí)紋波電流;I P為初級(jí)峰值電流;K RP用以表征開(kāi)關(guān)電源的工作模式(連續(xù)、非連續(xù)。連續(xù)模式時(shí)K RP小于1,非連續(xù)模式K RP 大于1。對(duì)于K RP的選取,一般由最小值選起,即當(dāng)電網(wǎng)入電壓為100VA

14、C/115VAC或者通用輸入時(shí),K RP=0.4;當(dāng)電網(wǎng)輸入電壓為230VAC時(shí),取K RP=0.6。當(dāng)選取的K RP較小時(shí),可以選用小功率的功率開(kāi)關(guān),但高頻變壓器體積相對(duì)要大,反之,當(dāng)選取的K RP較大時(shí),高頻變壓器體積相對(duì)較小,但需要較大功率的功率開(kāi)關(guān)。對(duì)于K RP 的選取需要根據(jù)實(shí)際不斷調(diào)整取最佳。(3初級(jí)線圈的電流初級(jí)平均輸入電流值(單位:A:I AVG=P oV MIN =270.8×99=0.34(5初級(jí)峰值電流值(單位:A:I P=I AVG(1-KRP2×DMAX=0.341-0.42×0.603=0.705(6初級(jí)脈動(dòng)(紋波電流值(單位:A:I

15、R=I P×K RP=0.28初級(jí)有效電流值(均方根值RMS(單位:A:I RMS=I P× =0.705 ×=0.44(7查閱手冊(cè),由:I DS=0.9×I LIMIT I P(8可知,K RP選取合適。TOPSwitch器件的選擇遵循的原則是選擇功率容量足夠的最小的型號(hào)。(4變壓器初級(jí)電感L P=106×PI P2×K RP(1-KRP2×fs×Z×(1-+=992.8(9(5氣隙長(zhǎng)度L g=r N P2A e L P=0.38(10 L g>0.051mm,參數(shù)合適,y為常數(shù)4×10

16、7H/m。當(dāng)電網(wǎng)電壓為230V和通用輸入220V時(shí):每伏特取0.6匝,即K NS=0.6。由于輸出側(cè)采用較大功率的肖特基二極管用作輸出整流二極管,因此V D取0.7V,磁芯的最大工作磁通密度在B M在20003000GS范圍內(nèi)。偏置二極管V DB的壓降取0.7V,偏置電壓V B取12V。初級(jí)繞組匝數(shù):N p=L P I P×104S J B M=89.1,取89匝(10次級(jí)繞組匝數(shù):N S1=K NS(V o1+V D=3.42,取3匝(11N S2=K NS(V o2+V D=7.62,取8匝(12偏置繞組匝數(shù):N B=N S×V B+V DBV o+V D=7.62,取

17、8匝(133.5輸出整流濾波電路由整流二極管、濾波電容和平波電感組成。將次級(jí)繞組的高頻方波電壓轉(zhuǎn)變成脈動(dòng)的直流電壓,再通過(guò)輸出濾波電路濾除高頻紋波,使輸出端獲得穩(wěn)定的直流電壓。肖特基二極管正向?qū)〒p耗小、反向恢復(fù)時(shí)問(wèn)短,在降低反向恢復(fù)損耗以及消除輸出電壓中的紋波方面有明顯的性能優(yōu)勢(shì),所以選用肖特基二極管作為整流二極管,參數(shù)根據(jù)最大反向峰值電壓V R選擇,同時(shí)二極管的額定電流應(yīng)該至少為最大輸出電流的35倍。次級(jí)繞組的反向峰值電壓V SM為:V SM=V S+2V ACMAXN SN P(14V R=1.25V SM(15式中:V S為次級(jí)繞組的輸出電壓;V ACMAX為輸入交流電壓最大值,則:V

18、 SM1=V S1+2V ACMAXN S1N P=17.6(16V SM2=V S2+2V ACMAXN S2N P=45.7(17則V R1=22V,V R2=57.1V,VD2,VD3,VD4均選擇MBR1060CT,最大反向電壓60V,最大整流電流10A。R C串聯(lián)諧振可以消除尖峰脈沖,防止二極管擊穿。第一級(jí)濾波電容的選擇由式(18確定:C o=I o(1-D minfV(pk-pk(18式中:I out是輸出端的額定電流,單位為A;D min是在高輸入電壓和輕載下所估計(jì)的最小占空比(估計(jì)值為0.3;164第14期胡志強(qiáng),等:多路單端反激式開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)V(PKPK是最大的輸出電壓紋波峰

19、峰值,單位為mV。計(jì)算得出后考慮閾值C6取100F/10V,C8取220F/35V。第二級(jí)經(jīng)LC濾波使不滿足紋波要求的電壓再次濾波。輸出濾波電容器不僅要考慮輸出紋波電壓是否可以滿足要求,還要考慮抑制負(fù)載電流的變化,在這里可以選擇C7取22F/10V,C9取10F/35V。C5取經(jīng)驗(yàn)值0.1F/25V。輸出濾波電感根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取2.24.7H,采用3.3H的穿心電感,能主動(dòng)抑制開(kāi)關(guān)噪聲的產(chǎn)生。為減少共模干擾,在輸出的地與高壓側(cè)的地之間接共模抑制電容C15。3.6反饋回路設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源的反饋電路有四種類(lèi)型:基本反饋電路、改進(jìn)型基本反饋電路、配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路、配TL431的光耦反饋電路。本設(shè)計(jì)采用電

20、壓調(diào)整率精度高的可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431加線形光耦PC817A 構(gòu)成反饋回路。TL431通過(guò)電路取樣電阻來(lái)檢測(cè)輸出電壓的變化量U,然后將采樣電壓送入TL431的輸入控制端,與TL431的2.5V參考電壓進(jìn)行比較,輸出電壓U K也發(fā)生相應(yīng)變化,從而使線性光電耦合器中的發(fā)光二極管工作電流發(fā)生線性變化,光電耦合器輸出電流。經(jīng)過(guò)光電耦合器和TL431組成的外部誤差放大器,調(diào)節(jié)TOP223Y控制端C的電流I C,調(diào)整占空比D(I C與D 成反比,從而使輸出電壓變化,達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。對(duì)于電路中的反饋部分,開(kāi)關(guān)電源反饋電路僅從一路輸出回路引出反饋信號(hào),其余未加反饋電路。這樣,當(dāng)5V輸出的負(fù)載電

21、流發(fā)生變化時(shí),定會(huì)影響12V 輸出的穩(wěn)定性。解決方法是給12V輸出也增加反饋電路。另外,電路中C10為T(mén)L431的頻率補(bǔ)償電容,可以提高TL431的瞬態(tài)頻率響應(yīng)。R5為光電耦合器的限流電阻,R5的大小決定控制環(huán)路的增益。電容器C13為軟啟動(dòng)電容器,可以消除剛啟動(dòng)電源時(shí)芯片產(chǎn)生的電壓過(guò)沖。下面主要是確定R4R8的值:按照應(yīng)用要求,對(duì)5V電源要求較高,但也要兼顧12V電源,權(quán)衡反饋量,將R7,R8的反饋權(quán)值均設(shè)置為0.6,0.4,各個(gè)輸出的穩(wěn)定性均得到保障和提高。只有5V輸出有反饋時(shí),如R4,R7取值均為10k,此時(shí)電流IR7=250A,分權(quán)后,R7分得150A、R8分得150A。根據(jù)TL431的

22、特性知,V o,V REF,R7,R8,R4之間存在以下關(guān)系:V o1=(1+R7R4V REF(19V o2=(1+R8R4V REF(20式中:V REF為T(mén)L431參考端電壓,為2.5V;V o為T(mén)L431輸出電壓。根據(jù)電流分配關(guān)系得(單位:k:R7=V o1-VREFIR7=16.6(21R8=V o2-VREFIR7=95(22又由電路可知:R5I F+V F=(I KA-I FR6(23式中:V F為光耦二極管的正向壓降,由PC817技術(shù)手冊(cè)知,典型值為1.2V。先取R5=390,可得R6=139,取標(biāo)稱(chēng)值150。3.7控制回路由電容C7和電阻R12串聯(lián)組成。C9用來(lái)濾除控制端的尖

23、峰電壓并決定自動(dòng)重啟動(dòng)時(shí)序,并和R12一起設(shè)定控制環(huán)路的主極點(diǎn)為反饋控制回路進(jìn)行環(huán)路補(bǔ)償。由數(shù)據(jù)手冊(cè)知,C9選擇47F/25V的電解電容,當(dāng)C9=47F 時(shí),自動(dòng)重啟頻率為1.2Hz,即每隔0.83s檢測(cè)一次調(diào)節(jié)失控故障是否已經(jīng)被排除,若確認(rèn)已被排除,就自動(dòng)重啟開(kāi)關(guān)電源恢復(fù)正常工作1。R12取6.2。4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析根據(jù)以上的設(shè)計(jì)方法和規(guī)范,設(shè)計(jì)出的一種基于TOP223Y雙路+5V/3A,+12V/1A輸出的反激式開(kāi)關(guān)電源。在寬范圍85265VAC的輸入范圍下對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試,如表1所示。表1開(kāi)關(guān)電源輸入性能測(cè)試數(shù)據(jù)(部分由以上選取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出,+5V/3A(反饋權(quán)重0.6,負(fù)載500輸出

24、的電壓調(diào)整率為S V=±0.18%,輸出的紋波電壓為39mV,輸出的最大電流為3.2A; +12V/1A(反饋權(quán)重0.4,負(fù)載750輸出的電壓調(diào)整率為S V=±0.3%,輸出的紋波電壓為68mV,輸出的最大電流為1.10A。該電源在滿載狀態(tài)時(shí),功率可達(dá)27.6W,最大占空比為0.60,電源效率為83.1%,開(kāi)關(guān)電源具有良好的性能,滿足應(yīng)用要求。V ACV o1V o2V ACV o1V o2855.0212.041905.0112.02904.9911.952104.9912.011005.0012.022204.9812.051305.0111.942304.9912.0

25、41604.9812.062505.0211.97(下轉(zhuǎn)第170頁(yè)165現(xiàn)代電子技術(shù)2013年第36卷用于納米級(jí)靜態(tài)定位的需求,由于其性?xún)r(jià)比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,故具有很高的實(shí)用價(jià)值。 圖11輸出電壓曲線和非線性度曲線參考文獻(xiàn)1張治君.一種壓電材料的新型線性高電壓驅(qū)動(dòng)器J.壓電與聲光,2012,34(4:537540.2龍傳慧,凡木文,劉友,等.多單元壓電陶瓷類(lèi)變形鏡高壓驅(qū)動(dòng)電源J.現(xiàn)代電子技術(shù),2011,34(16:195197.3賴(lài)志林.壓電陶瓷執(zhí)行器遲滯的滑模逆補(bǔ)償控制J.光學(xué)精密工程,2011,19(6:12811290.4榮偉彬.基于電流控制的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器J.納米技術(shù)與精密工程,2007(

26、5:3843.5周立功.深入淺出ARM7M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005.6張利軍.壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)平臺(tái)自適應(yīng)輸出反饋控制J.自動(dòng)化學(xué)報(bào),2012,38(9:15501556.7楊科科.基于模糊PID 控制的水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)用與仿真研究J.現(xiàn)代電子技術(shù),2012,35(19:152154.8范偉.壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器電源溫度控制系統(tǒng)研究J.壓電與聲光,2011,33(6:946949.9楊慧.比例模糊控制在壓電陶瓷執(zhí)行器中的應(yīng)用J.傳感器與微系統(tǒng),2010,29(10:135137.10劉樹(shù)棠.基于運(yùn)算放大器和模擬集成電路的電路設(shè)計(jì)M.3版.西安:西安交通大學(xué)出版社,2004.11費(fèi)業(yè)泰.誤差理論與數(shù)據(jù)處理M.6版