采用TOPSwitch-GX芯片的單端反激式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)

?專(zhuān)題研究?楊衛(wèi)剛采用TOPSwitch-GX芯片的單端反激式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)211采用TOPSwitch-GX芯片的單端反激式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)楊衛(wèi)剛(南京南瑞自動(dòng)控制有限公司江蘇省南京市210003)【摘要】在水電廠自動(dòng)化系統(tǒng)中,。本文簡(jiǎn)單闡述了采用TOPSwitch-GX,交直流220V輸入,四路獨(dú)立輸出,額定功率50W,?！娟P(guān)鍵詞】OPSwitch-GX芯片QT080概述在小功率的開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)中,單端反激式以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、外圍器件少、高效節(jié)能而被廣泛采用,而單端反激式中采用TOPSwitch-GX芯片會(huì)使設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單容易。1交流輸入EMI濾波整流部分電路原理圖見(jiàn)圖1。在快速瞬變、阻尼振蕩、沖擊(浪涌)、輻射抗擾度等實(shí)驗(yàn)中,EMI濾波器起著重要的作用。Y電容CY1-1、CY1-2與共模電感T1、T2構(gòu)成共模噪聲濾波器,用于濾除共模噪聲。由于受到耐壓實(shí)驗(yàn)時(shí)漏電流要小于5mA的限制,Y電容最大選擇4700pF,再根據(jù)公式f=來(lái)計(jì)算共π2模電感T1、T2的值,如果對(duì)共模電感T1、T2體積要求不高,在保證有相同電感量的前提下,盡量選擇體積大的磁芯,用較粗漆包線(xiàn)繞制,以減小銅損、發(fā)熱,提高效率。RV1、RV2、RV3為壓敏電阻,RV1、RV2抑制L、N對(duì)E出現(xiàn)的過(guò)電壓,RV3抑制L、N之間出現(xiàn)的過(guò)電壓,過(guò)電壓值均選擇540V或560V,要求其漏電流要小于15μA,以免耐壓實(shí)驗(yàn)時(shí)漏電流>5mA。F1為延時(shí)型保險(xiǎn)絲,需放在壓敏電阻之后,防止其后電路短路引起電流過(guò)高。保護(hù)裝置對(duì)電源輸出短路故障的要求是,當(dāng)輸出短路故障排除后,電源輸出電壓不應(yīng)自動(dòng)恢復(fù)正常,而TOPSwitch-GX芯片是有自動(dòng)重啟的功能,所以可以選擇保險(xiǎn)絲的額定電流來(lái)滿(mǎn)足以上要求?；蛘咴谳敵稣麟娐分屑尤氡ｋU(xiǎn)絲用以限制短路故障后電源不再重啟。RT1為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻,上電時(shí)可對(duì)電解電容CE1的沖擊電流加以限制,并且防止保險(xiǎn)絲F1過(guò)早損壞。R1、R2為CX2-1、CX2-2的放電電阻,以免在0.2～1s內(nèi)電源重啟動(dòng)時(shí)電壓和電流過(guò)沖。收稿日期:2006-08-28;改回日期:2006-09-04。水電廠自動(dòng)化增刊總第110期2122006年10月圖1電路原理圖本電路未采用差模電感,而是取共模電感T1、T2電感量的0.5～2%(一般取1%)與X電容CX2-1、CX2-2組成差模噪聲濾波器。由于繞制工藝以及其他各種因素導(dǎo)致共模電感T1、T2兩個(gè)線(xiàn)圈電感量不可能完全相同,這就存在漏感,利用這個(gè)漏感當(dāng)作差模電感。X電容一般選擇0.047～0.22μF?？筛鶕?jù)公式f=π2選擇電容量或電感量的大小。本電路采用了兩級(jí)LC低通濾波器構(gòu)成的EMI濾波器。CE1為電解電容,選擇電容量為2～3倍額定輸出功率,單位為μF,在交直流220V輸入時(shí),耐壓值選擇400V。在電壓突降短時(shí)中斷和變化中,大容量的電解電容CE1對(duì)輸出的連續(xù)性起到重要的作用。2變壓器的設(shè)計(jì)磁芯材料的選擇:由于本電路采用單端反激式的電路結(jié)構(gòu),變壓器磁芯工作在第一象限,所以選擇磁芯材料時(shí)要考慮飽和磁密Bs盡量要大,剩磁Bt盡量要小,以保證ΔB=Bs-Bt足夠大,這樣可以減小變壓器原邊繞組匝數(shù)。磁芯的居里溫度盡量要大,以確保在長(zhǎng)期高溫滿(mǎn)負(fù)荷工作時(shí)變?專(zhuān)題研究?楊衛(wèi)剛采用TOPSwitch-GX芯片的單端反激式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)213壓器磁導(dǎo)率隨溫度變化不大,從而保證變壓器正常工作。磁芯損耗Pc盡量要小,提高效率并且保證變壓器工作時(shí)溫升小于50℃。磁芯的工作頻率要大于TOPSwitch-GX芯片的工作頻率,并留有足夠的裕量。磁芯型號(hào)的選擇:在同等材料和體積的情況下,PQ(PM)型磁芯電感因數(shù)AL較大,所以本電路選擇PQ(PM)型磁芯。匝數(shù)的確定:選擇適當(dāng)?shù)淖儽?使輸入電壓在最低時(shí)仍有正常的輸出電壓Vo,此時(shí)占空比D),ton為T(mén)OPSwitch-GX芯片中MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間,T為T(mén)OPSwitch-GX芯片工作周期時(shí)T間)最大,(,Vs(原邊繞組(D=電壓)最大)要保證變壓器磁芯不飽和,本電路采用PQ(),AΨ=NPVdt=A0stonCP(Bs-B)(1)式中:NP為原邊繞組匝數(shù),()N再根據(jù)公式=NpVor(3)A(-r)(2)來(lái)計(jì)算副邊繞組匝數(shù),式中No為副邊繞組匝數(shù),Vor為反激電壓,控制在120V左右為宜。Vo應(yīng)反饋繞為輸出額定電壓加上輸出整流二極管導(dǎo)通壓降。多路輸出副邊繞組匝數(shù)都按公式(3)確定。組匝數(shù)也按公式(3)確定,反饋電壓選擇12V左右。在繞制變壓器線(xiàn)圈時(shí)要注意:①傳輸功率大于30W的變壓器,原邊繞組最好采用三明治繞法,即原邊繞組分兩次繞制,第一層繞原邊繞組匝數(shù)的一半,最后一層也繞原邊繞組匝數(shù)的一半,中間層是輸出繞組和反饋繞組。②每個(gè)繞組與骨架之間有2～4mm的端空距離,不同繞組間至少有三層絕緣膠帶,以保證4000VAC的耐壓,第一層原邊繞組與第二層繞組之間要有一層銅箔屏蔽,銅箔連接原邊高壓端。③繞線(xiàn)引出端均加套管,以保證絕緣耐壓。④浸漬、灌封,用來(lái)提高防潮性能、機(jī)械強(qiáng)度、抗電強(qiáng)度、傳熱和耐熱能力。3TOPSwitch-GX芯片的外圍設(shè)計(jì)(1)過(guò)壓欠壓保護(hù)。通過(guò)電阻R3可設(shè)置過(guò)壓欠壓值,流入TOPSwitch-GX芯片線(xiàn)路檢測(cè)端LΩ,則有:UH=225μΩ=的電流為IL=50～225μA,根據(jù)公式U=IR,設(shè)置電阻R3=1.73MA×1.7MΩ=85V,即原邊輸入電壓經(jīng)整流橋整流后電壓值小于85V或者大于382.5V,UL=50μA×1.7M382.5V時(shí)TOPSwitch-GX芯片將停止工作。(2)過(guò)流保護(hù)。TOPSwitch-GX芯片本身有內(nèi)部電流檢測(cè),當(dāng)電流超過(guò)其極限值ILIMIT,TOP2Switch-GX芯片將停止工作,起到過(guò)電流保護(hù)的作用。在外部也可以通過(guò)改變極限電流設(shè)定端X′′的流出電流IX來(lái)設(shè)定極限電流IL在X-S極之間接IMIT值,ILIMIT的設(shè)定范圍是(30%～100%)ILIMIT。1只極限電流設(shè)定電阻R5,可設(shè)置流過(guò)TOPSwitch-GX芯片的最大電流,即流過(guò)原邊繞組的最大電流,以免變壓器磁芯飽和。另外通過(guò)R4來(lái)限制當(dāng)原邊繞組電壓過(guò)高時(shí)的占空比,以免原邊繞組電壓較高,同時(shí)占空比又較高,原邊繞組的伏秒積過(guò)大而導(dǎo)致變壓器磁芯飽和。(3)反饋控制端C。TOPSwitch-GX芯片的控制端C接47μuF的電解電容,并串聯(lián)1只6.2Ω水電廠自動(dòng)化增刊總第110期2142006年10月的電阻,用以限流。C14是濾波電容,防止電壓超過(guò)控制端C的極限電壓(9V)。(4)漏極D鉗位電路。TOPSwitch-GX芯片中MOSFET的漏極D采用了DZ1(TVS)、R6、C1鉗位電路,選擇DZ1的值要確保TOPSwitch-GX芯片中MOSFET的漏極D端的電壓小于700V,以免損壞TOPSwitch-GX芯片中的MOSFET。R6、C1的選擇要在TOPSwitch-GX芯片最大占空比時(shí)工作在不連續(xù)模式,即最大占空比時(shí),在TOPSwitch-GX芯片關(guān)斷期間,導(dǎo)通之前,C1要放電完畢,磁通密度要降到Br,以免變壓器磁芯發(fā)生偏磁而飽和,在此前提下可盡量提高R6的值,減小電流值,減小損耗,提高效率。4輸出整流濾波部分主輸出(+5V)反饋采用了U5(TL431)與光耦U7(,0.5%,紋波可小于50mV。主輸出(+5V)額定電流值是,提高了變壓器窗口利用率,減小發(fā)熱,提高效率。+、-+V)輔輸出沒(méi)有參與反饋,開(kāi)環(huán)控制,由于反激紋波較大,L、L7915、L7824,改善了輸出的精度,可控制在1～2%,完全取決于3。另外,要注意,在空間允許的情況下,盡量選擇散熱面積大的散熱器。二極管D3、D4、D5用于防止輸出端出現(xiàn)過(guò)壓時(shí)三端穩(wěn)壓器被損壞。CE15并接于TL431的A、K極,用于電路軟啟動(dòng),防止電壓過(guò)沖,同時(shí)可改變CE15的電容量來(lái)設(shè)置軟啟動(dòng)時(shí)間,用以滿(mǎn)足行標(biāo)要求。主輸出(+5V)采用了過(guò)壓保護(hù),用光耦U6來(lái)隔離,當(dāng)主輸出端電壓超過(guò)穩(wěn)壓管DZ2的擊穿電壓,當(dāng)電流足夠大時(shí),使得R14兩端電壓達(dá)到光耦U6中二極管正向?qū)妷?使光耦U6的4、6腳短接,即使TOPSwitch-GX芯片的控制端C與源極S短接,TOPSwitch-GX芯片將停止工作,等到輸出端過(guò)壓故障排除后,上電復(fù)位后才有正常的輸出。輸出端過(guò)電壓保護(hù)值可通過(guò)選擇穩(wěn)壓管DZ2的值來(lái)確定,行標(biāo)要求不高于10%的額定輸出電壓。由于變壓器骨架引腳數(shù)量不夠多,輔輸出+24V作為辮子引出。主輸出(+5V)采用了MBRB2045CT整流管,導(dǎo)通電流20A,留有足夠的裕量以減小發(fā)熱。其余三路(+15V、-15V、+24V)輔輸出采用了SF超快恢復(fù)二極管,反向恢復(fù)時(shí)間僅為35ns,有利于減小紋波。四路輸出的濾波器均采用了LC濾波。輸出濾波電感的選擇,空間允許的情況下,盡量選擇粗導(dǎo)線(xiàn)繞制,以減小發(fā)熱,提高效率。通常電感量要求不高,因?yàn)榉醇な介_(kāi)關(guān)電源變壓器的輸出繞組也作為濾波電感,所以用磁棒就可以了。四路輸出濾波電容的選擇要確保電容的耐壓值至少是輸出額定電壓的3倍,如果空間允許,電容量盡量大,以保證電壓紋波小。LED1是電源主輸出工作的指示燈,R8是限流電阻。5效率本電路在空載功耗大約在1W左右,注意在交流輸入時(shí)計(jì)算空載功耗,不能簡(jiǎn)單的把輸入電流有效值和輸入端電壓有效值的乘積來(lái)作為空載損耗,因?yàn)檩斎攵说臑V波電容和共模電感產(chǎn)生了無(wú)功功率,所以應(yīng)該再乘以功率因數(shù),可用功率計(jì)來(lái)測(cè)量交流輸入時(shí)的空載功耗。滿(mǎn)載時(shí)效率在75%左右,因?yàn)榧恿?個(gè)三端穩(wěn)壓器導(dǎo)致了效率偏低。如果+24V只對(duì)繼電器線(xiàn)圈供電,因?yàn)槔^電器線(xiàn)圈工作電壓范圍很寬,可以去掉三端穩(wěn)壓器L7824,可以提高整體的效率。(下轉(zhuǎn)第225頁(yè))?專(zhuān)題研究?周懷念貴州東風(fēng)發(fā)電廠提高輔助控制設(shè)備可靠性總結(jié)225站地址設(shè)置為“1”、溢洪道PLC站地址設(shè)置為“2”、泄洪洞站PLC地址設(shè)置為“3”,并在各站通過(guò)concept2.5編程軟件進(jìn)行全局變量的定義,這樣ModbusPlus現(xiàn)場(chǎng)控制總線(xiàn)系統(tǒng)就形成了,結(jié)構(gòu)如圖1所示。然后將整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)接入大壩LCU的工控MODICONModbusPlusTAP為施耐德公司莫迪康ModbusPlus遠(yuǎn)程電纜TAP機(jī),就實(shí)現(xiàn)了與計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)的接頭,型號(hào)為MA-185-100圖1ModbusPlus連接?，F(xiàn)在電廠中央控制室就可對(duì)大壩LCU的監(jiān)控設(shè)備、泄洪洞閘門(mén)系統(tǒng)、5結(jié)束語(yǔ)氣機(jī)、水泵、,運(yùn)行狀況良好,設(shè)備動(dòng)作可靠,未發(fā)生任何設(shè)(少人值守)立下了不可磨滅的貢備事故,,為我廠的“無(wú)人值班”獻(xiàn)。(PLC)、電子軟起動(dòng)器、變頻器進(jìn)行輔助控制設(shè)備的改造以及現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制技術(shù)的應(yīng)用是提高設(shè)備可靠性的好方法,通過(guò)實(shí)際運(yùn)行觀察,達(dá)到了預(yù)期的效果。周懷念男,工程師,從事水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)HYPERLINK"/retype/zoom/d7c3e00003d8ce2f00662349?pn=5&x=0&y=680&raww=200&rawh=118&o=png_6_0_0_45_1069_37_23_780_1110&type=pic&aimh=118&md5sum=7c2b81428