功率開(kāi)關(guān)器件脈寬調(diào)制的控制

引言

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fs高達(dá)100 kHz，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。本文介紹了一種基于TOP223Y 輸出為+5 V/3 A，+12 V/1 A的單端反激式開(kāi)關(guān)電源方案設(shè)計(jì)的原理和方法。

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方案設(shè)計(jì)的原理

開(kāi)關(guān)電源是涉及眾多學(xué)科的一門應(yīng)用領(lǐng)域，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，故稱反激式。

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：220 V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DC-AC變換得到高頻矩形波電壓，最后經(jīng)輸出整流濾波得到品質(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。

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方案設(shè)計(jì)的要求

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：VACMIN=85 V;交流輸入電壓最大值：VACMAX=265 V;輸出：U1：+5 V/3 A;U2：+12 V/1 A;輸出功率：Po=27 W;偏置電壓：VB=12 V;電網(wǎng)頻率fL=50 Hz;開(kāi)關(guān)頻率fs=100 kHz;紋波電壓：小于100 mV;電源效率：η大于80%;損耗分配因數(shù)Z 為0.5;功率因數(shù)為0.5.

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設(shè)計(jì)實(shí)例

本設(shè)計(jì)方案是基于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。

(1) 輸入保護(hù)電路

由保險(xiǎn)絲F1、熱敏電阻RT和壓敏電阻RV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，熱敏電阻RT用以吸收開(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RRT1》0.014VACMAX/IACRMS 選擇10D-11(10 Ω/2.4 A)。壓敏電阻RV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。RV選取MY31-270/3，標(biāo)稱值為220 V.

(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，CX1，CX2，CY1，CY2構(gòu)成典型的Π型濾波器。

CX1和CX2用來(lái)濾除來(lái)自電網(wǎng)的差模干擾，稱為X電容，通常取值100~220 nF，這里取100 μF;CY1和CY2用來(lái)濾除來(lái)自電網(wǎng)的共模干擾，稱為Y電容，通常取值為1~4.7 nF，這里取2.2 nF;同樣用來(lái)消除共模干擾的共模電感L1的取值8~33 mH，這里取8 mH，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560 V，額定電流為3 A的KBP306整流橋。

在當(dāng)前的供電條件下，輸入儲(chǔ)能電容器CIN的值根據(jù)輸出功率按照2~3 μF/W 來(lái)取值，考慮余量，取CIN=100 μF/400 V的電解電容。假設(shè)整流橋中二極管導(dǎo)通時(shí)間為tc=3 ms，可由：

得到輸入直流電壓的最小值和最大值。

(4)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200 V左右，保護(hù)芯片不受損壞。推薦鉗位電阻R1取27 kΩ/2 W，VD1鉗位阻斷二極管快恢復(fù)二極管耐壓800 V 的FR106，鉗位電容選取22 nF/600 V的CBB電容。

單端反激式變換器是在(BUCK-BOOST)電路基礎(chǔ)上變換過(guò)來(lái)的，是一種輸出電壓既可低于也可高于輸入電壓的單管隔離變換器，其輸出電壓的極性與輸入電壓相反，因此稱其為Flyback——反激式變換器，對(duì)于反激電源，小功率的效率比較難做上去，大功率相對(duì)來(lái)說(shuō)會(huì)容易一些，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般100W的反激電源效率做到85%以上算不錯(cuò)!

關(guān)鍵詞：反激電源;

01電路結(jié)構(gòu)圖

如圖1-1所示，是單端反激電源的基本結(jié)構(gòu)圖：

圖1-1 反激電源結(jié)構(gòu)圖

圖1-1電路圖工作特點(diǎn)是當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT1導(dǎo)通時(shí)，將電源的能量存儲(chǔ)在變壓器中，即變壓器的一次側(cè)電感Lp存儲(chǔ)能量，當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT1截止時(shí)，將導(dǎo)通期間存儲(chǔ)的能量傳遞給二次側(cè)負(fù)載，因此存在能量從一次側(cè)到二次側(cè)的傳遞。

02工作原理

反激式開(kāi)關(guān)電源的工作過(guò)程分為兩個(gè)階段：開(kāi)關(guān)管VT1的ON期間和OFF期間。

ON期間：

變壓器T初次繞組Np有電流Ip，并將能量存儲(chǔ)在其中，初次繞組能量值為：

由于初級(jí)繞組與次級(jí)繞組的極性相反，此時(shí)次級(jí)輸入整流二極管VD1反向偏壓截止了，所以在開(kāi)關(guān)管VT1的ON期間，無(wú)能量傳送到負(fù)載。

初級(jí)電流上升斜率為：

次級(jí)二極管承受反向電壓：

其中n為變壓器變比，為：

設(shè)變壓器在t=Ton時(shí)，導(dǎo)通時(shí)間結(jié)束，一次電流從一個(gè)最小值ipmin開(kāi)始線性增長(zhǎng)到ipmax，則一次側(cè)電流的表達(dá)式為：

在Ton期間，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，可以計(jì)算磁通的增加量為：

OFF期間：

在開(kāi)關(guān)管VT1關(guān)斷的時(shí)間內(nèi)，變壓器原邊繞組Np將產(chǎn)生一反向反電動(dòng)勢(shì)，此時(shí)輸出整流二極管VD1正向?qū)ǎ?fù)載有電流I流通，二極管就導(dǎo)通了，此時(shí)次級(jí)繞組的電流斜率為：

開(kāi)關(guān)管VT1上的電壓為：

當(dāng)t=Ts時(shí)，即截止期間OFF結(jié)束時(shí)下降到最小值Ismin，其值為：

在開(kāi)關(guān)管截止期間，變壓器同時(shí)完成了去磁的作用，磁通量線性減小了，截止期間OFF內(nèi)，減小的值為：

圖1-2為次級(jí)繞組等效電流波形：

圖1-2 次級(jí)電流波形

總結(jié)：

根據(jù)磁通平衡原理，增加的磁通等于減小的磁通，即：

從式(1.11)即可求得輸出電壓關(guān)系式為：

開(kāi)關(guān)管VT1承受的電壓為：

從式(1.13)可知開(kāi)關(guān)管VT1關(guān)斷瞬間，其DS電壓會(huì)很高!!

整流二極管VD1截止時(shí)承受的電壓為：

輸出平均電流為：

反激式變換器是用于醫(yī)療設(shè)備和筆記本電腦等應(yīng)用的多功能電力電子器件。這種變換器也稱為隔離式升降壓變換器，其電路簡(jiǎn)單，可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出電壓(VOUT)，同時(shí)最大限度地減少電磁干擾 (EMI)。

本文將介紹反激式變換器及其拓?fù)洹⒂杏脜?shù)和操作，還將討論 MPS 的 AC/DC 反激式控制器(MPX2002和MPX2003)，它們同時(shí)具備原邊調(diào)節(jié) (PSR) 和副邊調(diào)節(jié) (SSR)的能力。

反激式變換器的參數(shù)和拓?fù)?

在反激式變換器中，電感被分割以形成耦合電感，它也被稱為反激式變壓器。耦合電感將變換器的輸入與其輸出隔離。圖 1 為反激式變換器的示意圖，其組成如下：

VIN：輸入電壓，即電路的電源。

CIN和COUT：分別為輸入和輸出電容。電容用于存儲(chǔ)和釋放到穩(wěn)壓器VIN和輸出電壓(VOUT)的電荷。

Control：來(lái)自IC 控制器的信號(hào)，用于導(dǎo)通原邊MOSFET。它允許電流流過(guò)LP，并傳輸至輸出。

LP和LS：分別為原邊和副邊電感。耦合電感存儲(chǔ)并釋放能量，并根據(jù)各自繞組中的匝數(shù)確定VOUT。

D：二極管，通過(guò)將交流電(AC) 轉(zhuǎn)換為直流電(DC)對(duì)VOUT進(jìn)行整流，使電流只能沿一個(gè)方向流動(dòng)。