概述
在三相逆變器用開(kāi)關(guān)電源中，電源的工作方式有兩種，一種是應(yīng)用工頻變壓器供電，另一種是應(yīng)用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源供電。隨著微電子和電力電子技術(shù)的發(fā)展，它們都毫無(wú)例外地使用開(kāi)關(guān)電源。開(kāi)關(guān)電源具有重量輕、體積小、效率高、穩(wěn)壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，正朝著短、小、輕、薄、單片集成化、智能化的方向發(fā)展。美國(guó)PowerIntegrations公司在2001年初開(kāi)發(fā)的單片開(kāi)關(guān)電源集成芯片TOP247Y屬于該公司第四代單片開(kāi)關(guān)電源集成電路TOPSwitch－GX系列。該系列產(chǎn)品除具備TOPSwitch－FX系列的全部?jī)?yōu)點(diǎn)之外，還將最大輸出功率從75W擴(kuò)展到250W，適合構(gòu)成大、中功率的高效率、隔離式開(kāi)關(guān)電源。它的開(kāi)關(guān)頻率高達(dá)132kHz，這有助于減小高頻變壓器及整個(gè)開(kāi)關(guān)電源的體積。本文介紹了一種基于TOP247Y的多路開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、制作調(diào)試方便，基本上能達(dá)到所要求的條件。
TOPSwitch－GX系列芯片工作原理
圖1給出了TOP247Y芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，共有6個(gè)引出端，它們分別是控制端C、線路檢測(cè)端L、極限電流設(shè)定端X、源極S、開(kāi)關(guān)頻率選擇端F和漏
極D。利用線路檢測(cè)端(L)可實(shí)現(xiàn)4種功能：過(guò)壓(OV)保護(hù)；欠壓(UV)保護(hù)；電壓前饋(當(dāng)電網(wǎng)電壓過(guò)低時(shí)用來(lái)降低最大占空比)；遠(yuǎn)程通／斷(ON／OFF)和同步。而利用極限電流設(shè)定端，可從外部設(shè)定芯片的極限電流。在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)都要檢測(cè)功率MOSFET漏源極導(dǎo)通電阻Ros(on)上的漏極峰值電流ID(PK)，當(dāng)ID(PK)>ILIMIT時(shí)，過(guò)電流比較器就輸出高電平，依次經(jīng)過(guò)觸發(fā)器、主控門和驅(qū)動(dòng)級(jí)，將MOSFET關(guān)斷，起到過(guò)電流保護(hù)作用。
電源啟動(dòng)時(shí)，連接在漏極和源極之間的內(nèi)部高壓電流源向控制極充電，在RE兩端產(chǎn)生壓降，經(jīng)RC濾波后，輸入到PWM比較器的同相端，與振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波電壓相比較，產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)并驅(qū)動(dòng)MOSFET管，因而可通過(guò)控制極外接的電容充電過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)電路的軟啟動(dòng)。當(dāng)控制極電壓Uc達(dá)到5.8V時(shí)，內(nèi)部高壓電流源關(guān)閉，此時(shí)由反饋控制電流向Uc供電。在正常工作階段，由外界電路構(gòu)成電壓負(fù)反饋控制環(huán)，調(diào)節(jié)輸出級(jí)MOSFET的占空比以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，Uc升高，采樣電阻RE上的誤差電壓亦升高。而在與鋸齒波比較后，將使輸出電壓的占空比減小，從而使開(kāi)關(guān)電源的電壓減小。當(dāng)控制極電壓低于4.8V時(shí)，MOSFET管關(guān)閉，控制電路處于小電流等待狀態(tài)，內(nèi)部高壓電流源重新接通并向Uc充電，其關(guān)斷/自動(dòng)復(fù)位滯回比較器可使Uc保持在4.8～5.8V之間。當(dāng)開(kāi)關(guān)電源的負(fù)載很輕時(shí)，能自動(dòng)將開(kāi)關(guān)頻率從132kHz降低到30kHz(半頻模式下則由66kHz降至15kHz)，可降低開(kāi)關(guān)損耗，進(jìn)一步提高電源效率。
多路輸出的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)
由TOP247Y構(gòu)成的多路開(kāi)關(guān)電源原理圖見(jiàn)圖2，其中輸出三路200mA、15V的直流電，一路400mA、15V的直流電，以及1A、5V的直流電。多路電源用高頻變壓器獲得多組電壓輸出，經(jīng)快速恢復(fù)二極管、電容濾波后得到多路直流電源。
當(dāng)電源輸入交流85～265V時(shí)，交流電壓U依次經(jīng)過(guò)電磁干擾(EMI)濾波器(C1，L1)、輸入整流濾波器(KBL406G，C2)獲得直流高壓UI。UI經(jīng)過(guò)R1接L端，能使極限電流隨UI升高而降低。它使用C3，VD型漏極鉗位二極管P6KE200A和阻斷二極管D1，以替代價(jià)格較高的TVS(瞬態(tài)電壓抑制器)，用于吸收在TOP247Y關(guān)斷時(shí)由高頻變壓器漏感產(chǎn)生的尖峰電壓，對(duì)漏極起到保護(hù)作用。次級(jí)電壓經(jīng)過(guò)整流、濾波后獲得多路輸出。其中15V電源輸出所用的是快速恢復(fù)二極管，其他輸出用的二極管是肖特基二極管，其目的是減少整流管的損耗。
由TOP247Y構(gòu)成的多路開(kāi)關(guān)電源原理圖
該電源采用3枚芯片，包括TOP247Y(U1)、光耦合器LTV817A，以及可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓管LM431。為減小高頻變壓器體積和增強(qiáng)磁場(chǎng)耦合程度，次級(jí)繞組采用了堆疊式繞法。其穩(wěn)壓原理為，U=UR4+UZ+ULM431。當(dāng)U發(fā)生變化時(shí)，如U增加時(shí)，流過(guò)光耦的電流增大，光耦輸出的電流隨著增大，流經(jīng)TOP247Y控制端的電流增加，而占空比則減小，從而U下降，這樣達(dá)到穩(wěn)壓的目的，反之U減小時(shí)也有相同的原理。
可調(diào)精密穩(wěn)壓管LM431的內(nèi)部參考電壓為2.495V，輸出電壓經(jīng)電位器和R7分壓，可調(diào)電壓在2.5V(基準(zhǔn)值)至37V(最大值)之間。R6和C18構(gòu)成LM431的頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。C19為軟啟動(dòng)電容。除5V電壓外，其余各路輸出未加反饋，輸出電壓均由高頻變壓器的匝數(shù)比來(lái)確定。R9～R12是15V輸出的假負(fù)載，它能降低該路的空載及輕載電壓。
另外，為了盡可能減少電磁干擾，在開(kāi)關(guān)電源的輸入側(cè)接入共模扼流圈，可以明顯改善電磁噪聲。而安全電容C6能濾除一次、二次繞組耦合電容產(chǎn)生的共模干擾，電容C1可濾除電網(wǎng)線之間的串模干擾。
高頻變壓器的設(shè)計(jì)
該開(kāi)關(guān)電源是一個(gè)具有多路輸出的直流電源，由高頻變壓器N個(gè)二次繞組經(jīng)整流濾波后獲得。因此開(kāi)關(guān)電源的性能在很大程度上決定于變壓器的設(shè)計(jì)。
● 功率計(jì)算
高頻變壓器的二次繞組有三路15V完全相同的直流輸出，另一路15V電壓的電流為400mA，5V電壓提供給其他的芯片，再加上反饋繞組，故由以上設(shè)定條件可知，高頻變壓器的輸出功率為：
P0=15×0.2×3＋15×1×0.4＋5×1＝20W
考慮反饋繞組和裕量，實(shí)際選用功率為25W。
● 磁芯的選用
根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]給出的輸出功率與磁芯尺寸的關(guān)系，本開(kāi)關(guān)電源選用EI-33磁芯，其額定輸出頻率為25kHz、50kHz和100kHz三種，可以選擇其中的一種，磁芯有效截面積Ae＝119.3，Le=67.6，Ve=8067.4。
● 繞組匝數(shù)的計(jì)算
由開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，在確定功率開(kāi)關(guān)元件MOS管的工作頻率時(shí)，若工作頻率較低
，則噪聲較大；若工作頻率較高，開(kāi)關(guān)損耗將增大，但可使變壓器、電容等小型化。因此在確定開(kāi)關(guān)頻率時(shí)要折衷考慮。設(shè)定工作頻率為25kHz，ρ＝0.5，η＝0.94。ρ為PWM調(diào)制的占空比，η為變壓器的效率。
則原邊電感量Lp為：
其中，P0為輸出功率，η為變壓器的效率，Z為損耗分配因數(shù)(通常令Z=0.5)，fs為開(kāi)關(guān)頻率。 變壓器一次繞組電流：
變壓器匝數(shù)比：
變壓器二次繞組匝數(shù)：
實(shí)取N=9(匝)。 一次繞組匝數(shù)：
5V直流輸出側(cè)的繞組匝數(shù)：
使用TOP247Y的注意事項(xiàng)
● 輸入濾波電容C2的負(fù)極直接連反饋繞組，以便將反饋繞組上的浪涌電流直接返回到輸入濾波電容，以提高抑制浪涌干擾的能力。
● TOP247Y控制端附近的電容應(yīng)盡可能靠近源極和控制端的引端。S極與C、L、X端過(guò)通過(guò)一條獨(dú)立的支路相連，不可共享一條支路。
● S、L、X端的引線與外圍相關(guān)元件的距離也要盡可能短，并且遠(yuǎn)離漏極的支路要防止產(chǎn)生噪聲耦合。
● 線路檢測(cè)電阻R1應(yīng)盡可能接近于L引腳。
結(jié)束語(yǔ)
綜上所述，采用TOPSwitch-GX系列芯片設(shè)計(jì)的低功率開(kāi)關(guān)電源，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高，成本低。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，輸出電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率均在設(shè)定范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該開(kāi)關(guān)電源是可靠的。