多路輸出單端反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)

1、多路輸出單端反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)楊立杰(北京工業(yè)大學(xué)電控學(xué)院北京100022摘要:在闡述了基于TOPSwitch 系列芯片設(shè)計(jì)的單片反激式開關(guān)電源原理的基礎(chǔ)上, 詳細(xì)介紹了一種用于智能儀表小功率多輸出AC/DC 開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法。該電源主電路采用反激式電路, 的穩(wěn)定輸出。最后, 給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)表明, 。關(guān)鍵詞:開關(guān)電源; 反激式電路; 高頻變壓器; 脈寬調(diào)制;AC/DC中圖分類號(hào):TN702文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼-04Design of -Export and R everse Excitation AC/DC ModuleYAN G Lijie(College of Elect ronic &Co

2、nt rol Engineering ,Beijing University of Technology ,Beijing ,100022,China Abstract :The paper introduces the principle of reverse excitation circuit applied for switching power supply. And the de 2sign idea is presented for the power supply of 10W multi -terminal export AC/DC module for intelligen

3、t instrument. The re 2verse excitation circuit is applied for the power circuit. We get static outputs by using the methods of feedback and pulse -width modulation. At last ,we show the result of the experiment. This power supply features excellent performance.K eywords :switching power supply ; rev

4、erse excitation circuit ; high f requency transformer ; pulse -width modulation ; AC/DC收稿日期:2006-07-27開關(guān)電源被譽(yù)為高效節(jié)能型電源, 他代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向, 現(xiàn)已成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展, 功率器件的不斷完善、更新, PWM 技術(shù)的發(fā)展日趨完善, 開關(guān)電源正朝著短、小、輕、薄的方向發(fā)展。本文介紹了一種基于TOPSwit h 系列芯片設(shè)計(jì)的小功率多路輸出的AC/DC 開關(guān)電源的原理及設(shè)計(jì)方法。1設(shè)計(jì)要求新設(shè)計(jì)的這個(gè)開關(guān)電源將作為智能儀表的供電電源, 最大功率為10W

5、。為了減少PCB 板的數(shù)量和智能儀表的體積, 要求電源設(shè)計(jì)尺寸盡量小并能將電源部分與儀表主控部分做在同一個(gè)PCB 上?？紤]10W 的功率以及小體積的因素, 電路選用單端反激電路。單端反激電路的特點(diǎn)是:電路簡單, 設(shè)計(jì)體積小巧且成本低。單端反激電路由輸入濾波電路、脈寬調(diào)制電路、功率傳遞電路(由開關(guān)管和變壓器組成 、輸出整流濾波電路、誤差檢測(cè)電路(由芯片TL431及周圍元件組成 及信號(hào)傳遞電路(由隔離光耦及電阻組成 等組成。本電源設(shè)計(jì)成表面貼裝的模塊電源, 其具體參數(shù)要求如下:輸出最大功率:10W ; 輸入交流電壓:85265V ;輸出直流電壓電流:+5V ,500mA ; +12V ,150mA

6、 ;+24V ,100mA ;紋波電壓:120mV 。2單端反激式開關(guān)電源的控制原理所謂單端是指TOPSwitch -系列器件只有一個(gè)脈沖調(diào)制信號(hào)功率輸出端-漏極D 。反激式則指當(dāng)功率MOSFET 導(dǎo)通時(shí), 就將電能儲(chǔ)存在高頻變壓器的初級(jí)繞組上, 僅當(dāng)MOSFET 關(guān)斷時(shí), 才向次級(jí)輸送電能, 由于開關(guān)頻率高達(dá)100k Hz , 使得高頻變壓器能夠快速存儲(chǔ)、釋放能量, 經(jīng)高頻整流濾波后即可獲得直流連續(xù)輸出。這也是反激式電路的基本工作原理。而反饋回路通過控制TOPSwitch 器件的控制端的電流來調(diào)節(jié)占空比以達(dá)到穩(wěn)壓的目的。3TOPSwitch -系列芯片選型及介紹TOPSwitch -系列內(nèi)部

7、主要包括10部分, 分別是控制電壓源、帶息基準(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)重啟電路、高壓電流源。他的引腳排列有3種封裝形式, 如圖1所示。其中,TO -220封裝自帶小散熱片, 屬典型的三端器件, 其外形32 于7800系列穩(wěn)壓器相同。DIP 28封裝及SMD 28封裝各有8個(gè)引腳, 但均可簡化為3個(gè)。二者區(qū)別是DIP 28可配8腳IC 插座,SMD 28則為表面貼片,不需打孔焊接。 圖1TOPSwitch 漏極(D 相連, , 在 供內(nèi)部偏置電流, 并設(shè)有電流檢測(cè)。控制極(C 用于占空比控制的誤差放大

8、器和反饋電流的輸入腳, 與內(nèi)部并聯(lián)穩(wěn)壓器連接, 提供正常工作時(shí)的內(nèi)部偏置電流, 同時(shí)也是提供旁路、自動(dòng)重起和補(bǔ)償功能的電容連接點(diǎn)。源極(S 與高壓功率回路的MOSFET 的源極相連, 兼做初級(jí)電路的公共點(diǎn)與參考點(diǎn)。內(nèi)部輸出極MOSFET 的占空比隨控制腳電流的增加而線性下降, 控制電壓的典型值為5. 7V , 極限電壓為9V , 控制端最大允許電流100mA 。在設(shè)計(jì)芯片時(shí)還對(duì)閾值電壓采取了溫度補(bǔ)償措施, 以消除因漏源導(dǎo)通電阻隨溫度變化而引起的漏極電流的變化。當(dāng)芯片結(jié)溫大于135時(shí), 過熱保護(hù)電路就輸出高電平, 關(guān)斷輸出極. 此時(shí)控制電壓V c 進(jìn)入滯后調(diào)節(jié)模式,V c 端波形也變成幅度為4.

9、 75. 7V 的鋸齒波。若要重新啟動(dòng)電路, 需斷電后再接通電路開關(guān), 或者將V c 降至3. 3V 以下, 再利用上電復(fù)位電路將內(nèi)部觸發(fā)器置零, 使MOSFET 恢復(fù)正常工作。采用TOPSwitch -系列設(shè)計(jì)單片開關(guān)電源時(shí)所需外接元器件少, 而且器件對(duì)電路板布局以及輸入總線瞬變的敏感性大大減少, 故設(shè)計(jì)十分方便, 性能穩(wěn)定, 性價(jià)比更高。該系列產(chǎn)品分類及最大輸出功率如表1所示。對(duì)于芯片的選擇主要考慮輸入電壓和功率。由設(shè)計(jì)要求可知, 輸入電壓為寬范圍輸入, 輸出功率不大于10W , 故選擇TOP222G 。4電路設(shè)計(jì)本開關(guān)電源的原理圖如圖2所示。4. 1主電路設(shè)計(jì)電源主電路為反激式, C 1

10、, L 1, C 2接在交流電源進(jìn)線端, 用于濾除電網(wǎng)干擾, C 5接在高壓和地之間, 用于濾除高頻變壓器初、次級(jí)后和電容產(chǎn)生的共模干擾, 在國際標(biāo)準(zhǔn)中被稱為“Y 電容”。C 1跟C 5都稱作安全電容, 但C 1專門濾除電網(wǎng)線之間的串模干擾, 被稱為“X 電容”。表1T OPSwitch 系列輸出功率對(duì)照表TO -220封裝(Y DIP -8封裝(P SMD -8封裝(G 產(chǎn)品型號(hào)固定輸入寬范圍輸入產(chǎn)品型號(hào)固定輸入寬范圍輸入TOP221Y 127G 96Y 2515G 1510G 2515TOP224P/G3020圖2開關(guān)電源原理圖為承受可能從電網(wǎng)線竄入的電擊, 在交流端并聯(lián)一只標(biāo)稱電壓U I

11、 mA 為275V 的壓敏電阻VSR 。鑒于在功率MOSFET 關(guān)斷的瞬間, 高頻變壓器的漏感產(chǎn)生尖峰電壓U L , 另外在原邊上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)反向電動(dòng)勢(shì)U OR , 二者疊加在直流輸入電壓上。典型的情況下, 交流輸入電壓經(jīng)整流橋整流后最高電壓U I max =380V , U L 165V , U OR =135V , 則U OR +U L +U OR 680V 。這就要求功率MOSFET 至少能承受700V 的高壓, 同時(shí)還必須在漏極增加鉗位電路, 用以吸收尖峰電壓, 保護(hù)TOP222G 中的功率MOSFET 。本電源的鉗位電路由D 2, D 3組成。其中D 2為瞬態(tài)電壓抑制器(TVS P6K

12、E200, D 3為超快恢復(fù)二極管U F4005。當(dāng)MOSFET 導(dǎo)通時(shí), 原邊電壓跡象上端為正, 下端為負(fù), 使得D 3截止, 鉗位電路不起作用。當(dāng)MOSFET 截止瞬間, 原邊電壓變?yōu)橄露藶檎? 上端為負(fù),此時(shí)D 1導(dǎo)通, 電壓被限制在200V 左右。4. 2輸出環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)以+5V 輸出環(huán)節(jié)為例, 次級(jí)線圈上的高頻電壓經(jīng)過42 U F5401型100V/3A 的超快恢復(fù)二極管D 7, 由于+5V輸出功率相對(duì)較大, 于是增加了后級(jí)L C 濾波器, 以減少輸出紋波電壓。濾波電感L 2選用被稱作“磁珠”的3. 3穿心電感, 可濾除D 7在反向恢復(fù)過程中產(chǎn)生的開關(guān)噪聲。對(duì)于其他兩路輸出, 只在輸出端

13、分別加以濾波電容。其中R 3, R 4分別為輸出的假負(fù)載, 他們能降低各自輸出端的空載和輕載電壓。4. 3反饋環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)反饋回路主要由PC817和TL431及若干電容、電阻構(gòu)成。其中U 2為TL431, 他為可調(diào)試精密并聯(lián)穩(wěn)壓器, 利用電阻R 5, R 6分壓獲得基準(zhǔn)電壓值。通過調(diào)節(jié)R 5, R 6的值可以調(diào)節(jié)輸出電壓的穩(wěn)壓值。C 8為TL431可以提高TL4317, =22F 時(shí)可增加, 本身已有的10ms 14ms 。U 3為PC817型線形光耦合器, 其電流傳輸比(CTR 范圍為80%160%, 能夠較好的滿足反饋回路的設(shè)計(jì)要求, 而目前國內(nèi)常用的4N25,4N26型光耦合器屬于非線性光耦

14、合器, 不宜采用。反饋繞組上產(chǎn)生的電壓經(jīng)D 4, C 9整流濾波, 獲得非隔離式+12V 輸出, 為PC817接受管的集電極供電。由于反饋繞組輸出電流較小, 次級(jí)采用D 4硅高速開關(guān)管1N4148。光耦PC817能將+5V 輸出與電網(wǎng)隔離, 其發(fā)射極電流送至TOP222G 的控制端, 用來調(diào)節(jié)占空比。C 3為控制端旁路電容, 他能對(duì)控制回路進(jìn)行補(bǔ)償并設(shè)定自動(dòng)重啟頻率。當(dāng)C 3=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)重啟開關(guān)電源恢復(fù)正常工作。R 2為PC817中L ED 的外部限流電阻。實(shí)際上除了限流保護(hù)作

15、用外, 他對(duì)控制回路的增益也具有重要影響。當(dāng)R 2改變時(shí), 會(huì)依次影響到下列參數(shù)值:I F I C D U O , 也就相當(dāng)于改變了控制回路的電流放大倍數(shù)。下面簡要分析一下反饋回路實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的工作原理。當(dāng)輸出電壓U O 發(fā)生波動(dòng)且變化量為U O 時(shí), 通過取樣電阻R 5, R 6分壓后, 就使TL431的輸出電壓U K 也產(chǎn)生相應(yīng)的變化, 進(jìn)而使PC817中L ED 的工作電流I F 改變, 最后通過控制端電流I C 的變化兩來調(diào)節(jié)占空比D , 使U O 產(chǎn)生相反的變化, 從而抵消U O 的波動(dòng)。上述穩(wěn)壓過程可歸納為:U O U K I F I C D U O 最終使U O 不變。其余各路輸出未

16、加反饋, 輸出電壓均有高頻變壓器的匝數(shù)來確定。4. 4變壓器設(shè)計(jì)變壓器的設(shè)計(jì)計(jì)算是整個(gè)電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵, 他的設(shè)計(jì)好壞直接影響電源性能。4. 4. 1磁芯及骨架的確定由文獻(xiàn)2可以查出, 當(dāng)P O =10W 時(shí)可供選擇的鐵氧體磁芯型號(hào)。由于選用漆包線繞制, 而且EE 型磁芯的價(jià)格低廉, 磁損耗低且適應(yīng)性強(qiáng), 故選擇EE22, 其磁芯長度A =22mm 。從廠家提供的磁芯產(chǎn)品手冊(cè)中可查得磁芯有效橫截面積S J =0. 41cm 2, 有效磁路長度L =3. 96cm , 磁芯等效電感A L =2. 4H/匝2, 骨架寬度b =8. 43mm 。4. 4. 2確定最大占空比D max:D =I min

17、 U DS (ON 100%(1:OR =135V , 直流輸入最小電壓值U I min =90V ,MOSFET 的漏-源導(dǎo)通電壓U DS (ON =10V , 代入上式得:D max =64. 3%, 接近典型值67%。D max 隨著輸入電壓的升高而減小。4. 4. 3計(jì)算初級(jí)線圈中的電流(單位均為A 輸入電流的平均值I AV G :I AV G =U I min =0. 8900. 14(2初級(jí)峰值電流I P :I P =(1-0. 5K RP D max(3其中K RP 為初級(jí)紋波電流I R 與初級(jí)峰值電流I P 的比值, 當(dāng)電壓為寬范圍輸入時(shí), 可取0. 9。將D max =64.

18、 3%代入得, I P =0. 518A 。4. 4. 4確定初級(jí)繞組電感L PL P =6I 2P K RP (1-2f(4其中, 損耗分配系數(shù)Z =0. 5, I P =0. 518A , K RP =0. 4, P O =10W 代入得:L P 1265H 。4. 4. 5確定繞組繞制方法并計(jì)算各繞組的匝數(shù)初級(jí)繞組的匝數(shù)N P 可以通過下式計(jì)算:N P=6S J B M(5其中, 磁芯截面積S J =0. 41cm 2, 磁芯最大磁通密度B M =60, I P =0. 518A , L P 1265H 代入可得N P =26. 6, 實(shí)取30匝。次級(jí)繞組采用堆疊式繞法, 這也是變壓器生

19、產(chǎn)廠家經(jīng)常采用的方法。其特點(diǎn)是由5V 繞組給12V 繞組提供部分匝數(shù), 而24V 繞組中則包含了5V ,12V 的繞組和新增加的匝數(shù)。堆疊式繞法技術(shù)先進(jìn), 不僅可以節(jié)省導(dǎo)線, 減小線圈體積, 還可以增加繞組之間的互感量, 加強(qiáng)耦合程度。以本電源為例, 當(dāng)5V 輸出滿載而12V 和24V 輸出輕載時(shí), 由于5V 繞組兼作12V ,24V 繞組的一部分, 因52 此能減小這些繞組的漏感, 可以避免因漏感使12V ,24V 輸出電路中的濾波電容被尖峰電壓充電到峰值, 即產(chǎn)生所謂的峰值充電效應(yīng)。從而引起輸出電壓不穩(wěn)定。這里將5V 繞組作為次級(jí)的始端。對(duì)于多輸出高頻變壓器各輸出繞組的匝數(shù)可以取相同的“每

20、伏匝數(shù)”。每伏匝數(shù)n 0可以由下式確定:n 0=U O1+U F 1(6其單位是“匝/V ”。將N S 取5匝, U O1=5V , U F 1=0. 4V(肖特基整流管導(dǎo)通壓降 代入上式得到n 0=0. 925匝/V 。對(duì)于24V 輸出, 已知U O2=24V , U F 2=0. 4V , 則該路輸出繞組匝數(shù)為N S 2=0. 925匝/V (24+4V 22. 57匝, 實(shí)取22匝。對(duì)于12V 輸出O3=F 2=4, 輸出繞組匝數(shù)為N S 2匝/V (12V +0. 4V =11. 47匝, 實(shí)取11匝。對(duì)于反饋繞組, 已知U F =12V , U F 3=0. 7V (硅快速恢復(fù)整流二

21、極管導(dǎo)通壓降 , 則該路輸出繞組匝數(shù)為N S 2=0. 925匝/V (12V +0. 4V =11. 47匝, 實(shí)取11匝。4. 4. 6確定初、次級(jí)導(dǎo)線的內(nèi)徑首先根據(jù)初級(jí)層數(shù)d , 骨架寬度b 和安全邊距M , 利用下式計(jì)算有效骨架寬度b E (單位是mm :b E =d (b -2M (7將d =2, b =8. 43mm , M =0代入上式可得:b E =16. 86mm在利用下式計(jì)算初級(jí)導(dǎo)線的外徑(帶絕緣層 D PM :D P M =b E /N P(8將b E =16. 86mm , N P =78匝代入得D PM =0. 31mm , 扣除漆皮厚度后, 裸導(dǎo)線內(nèi)徑D PM =0. 26mm 。與直徑0. 26mm 接近的公制線規(guī)為0. 28mm , 比0. 26mm 略粗完全可以滿足要求, 而0. 25mm 的公制線規(guī)稍細(xì), 不宜選用。而次級(jí)繞組選用與初級(jí)相同的導(dǎo)線, 根據(jù)電流的大小, 采用多股并繞的方法繞制。4. 5試驗(yàn)數(shù)據(jù)該開關(guān)電源的輸入特性數(shù)據(jù)見表2, 在u =85245V 的寬范圍內(nèi)變化時(shí), 主路輸出U O1=5V (負(fù)載為65 的電壓調(diào)整率S V =0. 2%, 輸出紋波電壓最大值約為67mV ; 輔助輸出U O2=24V (負(fù)載為