一種基于TOP227Y的脈沖開關(guān)電源設(shè)計(jì)

脈沖電源是各種電源設(shè)備中比較特殊的一種，它的電壓或電流波形為脈沖狀。其實(shí)質(zhì)上是一種通斷的直流電源，其基本工作原理是首先經(jīng)過慢儲(chǔ)能，使初級(jí)能源具有足夠的能量，然后向中間儲(chǔ)能和脈沖成形系統(tǒng)放電(或流入能量)，能量經(jīng)過儲(chǔ)存、壓縮形成脈沖或轉(zhuǎn)化等復(fù)雜過程之后，形成脈沖電源。

隨著開關(guān)電源的發(fā)展，電源的小型化、模塊化、智能化越來越受到人們的關(guān)注。各種電源控制芯片如雨后春筍紛紛涌現(xiàn)，美國(guó)電源集成(PI)公司相繼推出TOP系列芯片，這些芯片集脈沖信號(hào)控制電路和功率開關(guān)器件MOSEFT于一體，具有高集成度、最簡(jiǎn)外圍電路、最佳性能指標(biāo)等特點(diǎn)，能組成高效率無工頻變壓器的隔離式開關(guān)電源。所以，本文設(shè)計(jì)基于TOP227Y芯片控制的開關(guān)電源。

1 總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的脈沖開關(guān)電源總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，輸入220 V交流電流，先由4個(gè)二極管的全橋整流，然后通過TOP227Y開關(guān)和高頻變壓器變壓，再經(jīng)過二次整流、電容濾波和電感平波，輸出150 W的直流電。高頻變壓器二次側(cè)有3個(gè)繞組，2路輸出功率，另一路為反饋回路提供電源。反饋回路從輸出端進(jìn)行電壓取樣，通過光耦來控制脈沖控制開關(guān)的通斷，調(diào)節(jié)輸出功率。

2 高頻變壓器主要參數(shù)設(shè)計(jì)

高頻變壓器在開關(guān)電源中起很重要的作用，它主要是傳輸功率，實(shí)現(xiàn)輸入輸出兩側(cè)的電氣隔離。同時(shí)，可通過改變初次級(jí)的匝數(shù)比來改變輸出電壓，也可增加匝數(shù)不同的次級(jí)，以達(dá)到獲得多輸出的目的。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇某廠的功率鐵氧體LP3作為高頻變壓器的磁芯。采用面積乘積(AP)法設(shè)計(jì)變壓器：

式(1)中，Ps為視在功率，取370 W；Bm為工作通磁通密度，取125 mT；fs為工作頻率，取45 kHz；Kf為波形系數(shù)，方波取4；Kw為變壓器銅窗占用系數(shù)，取0.2；J為電流密度，取400 A／cm2，故AP=4.1 cm4，據(jù)此選用磁芯結(jié)構(gòu)為EE42A。

計(jì)算初次級(jí)匝比：

式中，Vin(min)為初級(jí)最小輸入電壓；Dmax為最大占空比，取45％；Vo為輸出電壓；Vf為輸出端整流二極管壓降，計(jì)算得n=3，驗(yàn)證最大占空比為40.65％。[!--empirenews.page--]

原邊匝數(shù)：

其中ton為導(dǎo)通時(shí)間；△B為工作磁通范圍，取250 mT，計(jì)算Np為36。

副邊匝數(shù)：

復(fù)位繞組匝數(shù)NR=Np=36。

考慮趨膚效應(yīng)后各線徑的取值分別為：初級(jí)繞級(jí)為36匝、4股并繞；次級(jí)繞級(jí)為12匝、4股并繞；復(fù)位繞級(jí)為36匝；輔助電源繞組為3匝。

另外，應(yīng)在降低高頻變壓器損耗、減少變壓器漏感、控制溫升等方面采取相應(yīng)的措施，以保證高頻變壓器能滿足設(shè)計(jì)要求。

3 主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

交流電220 V通過由兩個(gè)橋臂組成不可控全橋輸入，經(jīng)電容組成的濾波器可抑制電磁噪聲，因而在小型的開關(guān)電源中只需簡(jiǎn)單的濾波器就可以有效削弱噪聲，更重要的是濾去高次波，VD1，VD2，VD3，VD4組成整流電路，整流后的脈動(dòng)直流經(jīng)C1濾波，提供給主電路和開關(guān)調(diào)制電路，高頻變壓器的次級(jí)繞組有3個(gè)，2個(gè)是主繞組，作用是提供電源主能量，高頻變壓器經(jīng)快速恢復(fù)二極管VD5和VD6整流后由濾波電容C2，C3濾波，再經(jīng)L1組成的低通濾波器向負(fù)載輸出。L1主要是抑制高頻電壓向負(fù)載輸出，加上L1以后也能使輸出的電壓波形更平整，以防止負(fù)載受其干擾。輸出端的電容器C4是為了讓輸出的不平整波紋更平整，它主要是為了降低交流電壓的波紋系數(shù)而加的，第二路的輸出原理和第一路相似。主電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4 控制電路設(shè)計(jì)

高頻變壓器一次繞組除了向主電路次級(jí)繞組提供能量外，還向另一個(gè)次級(jí)繞組組成反饋電壓繞組提供能量，反饋繞組的電壓兩端串聯(lián)一個(gè)分壓電阻后加在一個(gè)光耦上，反饋繞組的兩極之間接一個(gè)電容濾波器，濾掉高次諧波，輸出的反饋電壓加在光耦發(fā)光二極管的正極上。電阻R3，R2和穩(wěn)壓管VDZ組成基準(zhǔn)電壓源，為光耦提供基準(zhǔn)電壓，這樣光耦中的二極管的發(fā)光強(qiáng)度是由輸出電壓控制的，經(jīng)光耦耦合到TOP227Y的控制端從而實(shí)現(xiàn)脈寬的可控，達(dá)到穩(wěn)壓的目的，控制電路的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。[!--empirenews.page--]

4.1 TOP227Y工作原理

TOP227Y開關(guān)工作原理框圖見圖4所示，主要包括10個(gè)部分：控制電壓源；帶隙基準(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)重啟動(dòng)電路；高壓電源源。圖4中Zc為控制端的動(dòng)態(tài)阻抗，RFB是誤差電壓檢測(cè)電阻。RA與CA構(gòu)成截止頻率為7 kHz的低通濾波器。TOP227Y的基本工作原理是利用反饋電流Ic來調(diào)節(jié)占空比D。

4.1.1 控制電壓源

控制電壓源Uc能向并聯(lián)調(diào)整器和門驅(qū)動(dòng)級(jí)提供偏置電壓，而控制端電流Ic則能調(diào)節(jié)占空比。Uc有2種工作模式：一種是滯后調(diào)節(jié)，用于啟動(dòng)和過載兩種情況，具有延遲控制作用；另一種是并聯(lián)調(diào)節(jié)，用于分離誤差信號(hào)與控制電路的高壓電流源。剛啟動(dòng)電路時(shí)由D-C極之間的高壓電流源提供控制端電流Ic。

4.1.2 帶隙基準(zhǔn)電壓源

帶隙基準(zhǔn)電壓源除向內(nèi)部提供各種基準(zhǔn)電壓之外，還產(chǎn)生一個(gè)具有溫度補(bǔ)償并可調(diào)整的電流源，以保證精確設(shè)定振蕩器頻率和門極驅(qū)動(dòng)電流。

4.1.3 振蕩器

內(nèi)部振蕩電容是在設(shè)定的上、下閾值UH，UL間周期性線性充放電，以產(chǎn)生脈寬調(diào)制器所需要的鋸齒波(SAW)，與此同時(shí)還產(chǎn)生最大占空比信號(hào)(Dmax)和時(shí)鐘信號(hào)(CLOCK)。為減小電磁干擾，提高電源效率，振蕩頻率(即開關(guān)頻率)設(shè)計(jì)為100 kHz，脈沖波形的占空比設(shè)定為P。

4.1.4 放大器

誤差放大器的增益由控制端的動(dòng)態(tài)阻抗Zc來設(shè)定。Zc的變化范圍是10～20 Ω，典型值為15 Ω。誤差放大器將反饋電壓UFB與5.7 V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較后，輸出誤差電流Ir，在RFB上形成誤差電壓Ur。

4.1.5 脈寬調(diào)制器(PWM)

脈寬調(diào)制器是一個(gè)電壓反饋式控制電路，它具有2層含義：改變控制端電流Ic大小，即可調(diào)節(jié)占空比P實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制；誤差電壓Ur經(jīng)由RA，CA組成截止頻率為7 kHz的低通濾波器，濾掉開關(guān)噪聲電壓之后加至PWM比較器的同相輸入端，再與鋸齒波電壓UJ進(jìn)行比較，產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)UPWM。UPWM通過與門DA1、或門DO之后，可將觸發(fā)器I置零，使Q=0，把功率MOSFET關(guān)斷；而時(shí)鐘信號(hào)再把觸發(fā)器置位，使Q=1，又使功率MOSFET導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)了脈寬調(diào)制信號(hào)的功率輸出。[!--empirenews.page--]

4.1.6 門驅(qū)動(dòng)級(jí)

門驅(qū)動(dòng)級(jí)DN用于驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管(MOSFET)，使之按一定速率導(dǎo)通，從而將共模電磁干擾減至最小。

4.1.7 過流保護(hù)電路

過流比較器的反相輸入端接閾值電Ulimit，同相輸人端接MOSFET管的漏極。ID過大，UDS(ON)>Ulimit，過電流比較器就翻轉(zhuǎn)，輸出變成高電平，經(jīng)過DA2，DO，將觸發(fā)器I置零，進(jìn)而使功率MOSFET關(guān)斷，起到過電流保護(hù)作用。

4.1.8 過熱保護(hù)電路

當(dāng)芯片結(jié)溫Tj>135℃時(shí)，過熱保護(hù)電路就輸出高電平，將觸發(fā)器Ⅱ置位，使Q=1，關(guān)斷輸出級(jí)。此時(shí)Uc進(jìn)入滯后調(diào)節(jié)模式，Uc端波形也變成幅度為4.7 V～5.7 V的鋸齒波。若要重新啟動(dòng)電路，需斷電后再接通電源開關(guān)或者將Uc降至3.3 V以下，達(dá)到Uc(reset)值，再利用上電復(fù)位電路將觸發(fā)器Ⅱ置零，使功率MOSFET恢復(fù)正常工作。

4.1.9 關(guān)斷／自動(dòng)重啟動(dòng)電路

一旦調(diào)節(jié)失控，關(guān)斷／自動(dòng)重啟動(dòng)電路立即使芯片在5％占空比下工作，同時(shí)切斷從外部流人控制端的電流Ic，Uc再次進(jìn)入滯后調(diào)節(jié)模式。倘若故障已排除，Uc又回到并聯(lián)調(diào)節(jié)模式，自動(dòng)重新啟動(dòng)電源恢復(fù)正常工作。

4.1.10 高壓電流源

在啟動(dòng)或滯后調(diào)節(jié)模式下，高壓電流源經(jīng)過電子開關(guān)S給內(nèi)部電路提供偏置，并且對(duì)CT進(jìn)行充電。電源正常工作時(shí)S改接內(nèi)部電源，將高壓電流源關(guān)斷。當(dāng)TOP227Y開關(guān)啟動(dòng)操作時(shí)，在控制端環(huán)路振蕩電路的控制下漏極端有電流流入芯片提供開環(huán)輸入，該輸入通過旁路調(diào)整器、誤差放大器，由控制端進(jìn)行閉環(huán)調(diào)整，改變Ic，經(jīng)由PWM控制MOSFET的輸出占空比，最后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

5 整機(jī)電路

輸入工頻220 V的電壓時(shí)經(jīng)過全橋整流電路整出脈動(dòng)的直流電，然后由C1和L組成的濾波器濾去高次波，再經(jīng)過高頻變壓器和快速二極管VD2，VD3將電壓變換成20 V的直流電壓，為了得到更平直的直流電壓，加上L1和C4，為了使電壓平穩(wěn)性更好，L1設(shè)定為1.1 mH，電容選用為7 mF，工頻電經(jīng)過這一系列變換，輸出值就是為直流15 V，10 A，電路圖如圖5所示。

另一路是工頻電經(jīng)過高頻變壓器和快速二極管VD5，VD6將電壓變換成10 V，5 A的直流電，為了得到更平直的直流電壓，加上L2和C7。第一路輸出功率為150 W，第二路輸出功率為50 W，總功率為200 W。

TOP227Y開關(guān)能調(diào)節(jié)輸出脈寬，當(dāng)因電網(wǎng)或者負(fù)載變化引起輸出電壓變大時(shí)，電壓會(huì)通過反饋回路反饋到光耦，發(fā)光二極管發(fā)光增強(qiáng)，光敏三極管受到強(qiáng)光通過的電流增大，這個(gè)電流將回饋到TOP227Y芯片的控制端，而使TOP227Y芯片輸出的脈寬變小，于是輸出電壓降低反則亦然，因此達(dá)到穩(wěn)壓目的。

6 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)一種基于TOP227Y脈沖控制芯片的2路輸出正激式穩(wěn)壓電源，該開關(guān)電源利用TOP227Y內(nèi)部脈寬調(diào)制器等功能塊的作用，對(duì)輸出電壓進(jìn)行控制，以達(dá)到穩(wěn)壓的目的。該開關(guān)電源有兩路輸出，功率不同，正負(fù)半周均可傳遞能量，電源利用效率高，具有很好的應(yīng)用前景。