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如何利用TOPSwitch-GX設(shè)計單端正激式開關(guān)電源的驅(qū)動電路

發(fā)布時間:2012-12-04 責(zé)任編輯:sherryyu

【導(dǎo)讀】開關(guān)電源顯然已成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。你想自己設(shè)計一個開關(guān)電源嗎?以下告訴大家另一個如何設(shè)計單片機(jī)開關(guān)電源的方法。利用TOPS244Y的一種脈寬調(diào)制高頻開關(guān)電源,最終的目的是輸出30W、12V電壓。


本文主要對該設(shè)計的基本原理、主電路、和控制電路做出主要的分析。

一、基于TOPSwith單片機(jī)開關(guān)電源的基本原理

TOPSwitch( Three - terminal Off - line PWM Switch) 單片開關(guān)電源是美國PI ( Power Integration ) 公司于上世紀(jì)90 年代中期推出的新型高頻開關(guān)電源芯片,它僅用了3 個管腳就將脫線式開關(guān)電源所必需的具有高壓N 溝道功率MOS 場效應(yīng)管、電壓型PWM 控制器、100 kHz 高頻振蕩器、高壓啟動偏置電路、基準(zhǔn)電壓、用于環(huán)路補(bǔ)償?shù)牟⒙?lián)偏置調(diào)整器、誤差放大器和故障保護(hù)功能塊等全部集成在一起了。采用TOPSwitch 器件的開關(guān)電源與分立的MOSFET 功率開關(guān)及PWM 集成控制的開關(guān)電源相比,具有電路結(jié)構(gòu)簡潔、成本低廉、性能穩(wěn)定、制作及調(diào)試方便,自保護(hù)完善等優(yōu)點。

TOPSwitch系列單片開關(guān)電源的典型應(yīng)用電路如圖1所示。高頻變壓器在電路中具備能量存儲、隔離輸出和電壓變換這三大功能。由圖可見,高頻變壓器初級繞組Np的極性(同名端用黑圓點表示),恰好與次級繞組Ns反饋繞組Nf的極性相反。這表明在TOPSwitch導(dǎo)通時,電能就以磁場能量形式儲存在初級繞組中,此時VDz截止。當(dāng)TOPSwitch截止時,VD2導(dǎo)通,能量傳給次級,此為反激式開關(guān)電源的特點。圖中,BR為整流橋,CIN為輸入端濾波電容。交流電壓u經(jīng)過整流濾波后得到直流高壓yt,經(jīng)初級繞組加至TOPSwitch的兩極上。鑒于在TOPSwitch關(guān)斷時刻,由高頻變壓器溺感產(chǎn)生的尖峰電壓,會疊加在直流高壓Ui和感應(yīng)電壓Uor上,可使功率開關(guān)管的漏極電壓超過700v而損壞芯片;為此在初級繞組兩端必須增加漏極鉗位保護(hù)電路。鉗位電路由瞬態(tài)電壓抑制器或穩(wěn)壓管(VDz1)、阻塞二極管(VDl)組成,VDl宜采用超快恢復(fù)二極管(SRD)。VD2為次級整流管,Cout是輸出端濾波電容。

 

 

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圖1 TOPSwitch系列單片機(jī)開關(guān)電源的典型應(yīng)用電路
 

該電源采用配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路。反饋繞組電壓經(jīng)過VD3、CF整流濾波后獲得反饋電壓UFB,經(jīng)光耦合器中的光敏三極管給TOPSwitch的控制端提供偏壓。CT是控制端c的旁路電容。設(shè)穩(wěn)壓管VDz2的穩(wěn)定電壓為Uz2,限流電阻R1兩端的壓降為UR,光耦臺器中LED發(fā)光二極管的正向壓降為UF,輸出電壓Uo由下設(shè)定:Uo=Uz2+UF+UR。


該電源的穩(wěn)壓原理簡述如下;當(dāng)由于某種原因(如交流電壓升高或負(fù)載變輕)致使Uo升高時,因UZ2不變,故UF就隨之升高,使LED的工作電流IF增大,再通過光耦合器使了TOPSwitch比h的控制端電流Ic增大。但因TOFsw比D的輸出占空比D與Ic成反比,故D減小,這就迫使Uo降低,達(dá)到穩(wěn)壓目的。反之,Uo↓UF↓IF↓Ic↓D↑Uo↑,同樣起到穩(wěn)壓作用。由此可見,反饋電路正是通過調(diào)節(jié)TOPSwitch的占空比,使輸出電壓趨于穩(wěn)定的。

二、主電路的實現(xiàn)
以下是正激式DC-DC變換器
 



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圖2 正激式DC-DC變換器
 

1、輸入電路

保險絲F1、一次整流和低通濾波兩部分組成。一次整流部分采用單相橋式整流電路,選用的元器件為二極管,如圖2所示為D5、D7、D8、D10。

2、復(fù)位電路

二極管D3,D4變壓器繞組Nr構(gòu)成復(fù)位電路,防止變壓器的激磁電感飽和。

3、導(dǎo)向電路和續(xù)流電路

在圖2中,D6是有兩個彼此反向的二極管串聯(lián)而成的。與變壓器同名端相連接二極管是導(dǎo)向二極管,與非同名端連接的是續(xù)流二極管,變壓器T1副邊的兩個二極管與變壓器T2一次繞組可構(gòu)成TOP管開通后的二次整流電路(由二極管導(dǎo)向)和TOP管關(guān)斷后的續(xù)流電路。設(shè)計中選擇的D6型號為 MBR20100。

變壓器T1主要參數(shù)和繞制方法如下:

a)骨架磁心為EI33;磁心有效橫截面積Ae=1.18cm^2。
b)匝數(shù)比為n=100/6,其中Np=25匝,Nr=75匝,Nm=6匝*3(6匝,每匝3股)。
c)采用三明治繞法,不需要氣隙。

4、變壓器T2主要參數(shù)如下:

1)骨架磁心為EI25,磁心有效橫截面積Ae=0.4cm^2。
2) 匝數(shù)比為n=15/12,其中N1=15匝*4(15匝,每匝4  股),N2=12匝。
3)一般繞法。
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三、控制電路

1、反饋電路的選擇

本設(shè)計采用的反饋電路如圖3所示

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圖3 配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路
 

該電路時穩(wěn)壓管的光耦反饋電路,由VDZ提供參考電壓UZ,當(dāng)Uo發(fā)生波動時,在LED上可獲得誤差電壓。因此,該電路相當(dāng)于給TOPSwitch增加一個外部誤差放大器,再與內(nèi)部誤差放大器配合使用,即可對Uo,進(jìn)行調(diào)整。這種反饋電路能使負(fù)載調(diào)整率達(dá)到土1%以下。

光耦反饋電路實際由兩部分構(gòu)成:
① 由反饋繞組NF、高頻整流濾波器構(gòu)成的非隔離式反饋電路,反饋電壓UFB為光敏三極管提供偏壓;
② 由取樣電路、外部誤差放大器、光耦合器構(gòu)成的隔離式反饋電路,它將U。的變化量直接轉(zhuǎn)換成控制電流Ic。其中,UFB基本不受交流輸人電壓u變化的影響,而Ic則與Uo變化有關(guān)。僅當(dāng)u寬范圍變化而負(fù)載穩(wěn)定時Ic才與△U有關(guān)。

2、放大過程的選擇

該誤差放大器,如圖4所示,極為特殊,它不同于普通的誤差電壓放大器,并且只有一個輸入控制端。當(dāng)輸出電壓發(fā)生波動且變化量為△Uo時,通過取樣電阻分壓之后,就使TL431的輸出電壓UK也產(chǎn)生相應(yīng)的變化量,進(jìn)而使LED的工作電流IF改變,最后通過控制端電流Ic的變化量來調(diào)節(jié)占空比D,使Uo產(chǎn)生相反的變化,從而抵消了△Uo的波動。上述穩(wěn)壓過程亦可歸納成:
UO↑UK↓IF↑IC↑D↓Uo↓最終使Uo不變。

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圖4 誤差放大電路
 

3、TOPSwitch-GX系列單片開關(guān)電源的選擇

ToPswith-GX是高性價比的單片開關(guān)電源。以下是固定輸入時PD與η、Po的關(guān)系曲線:
TOPSwitch—Gx系列產(chǎn)品在固定輸入條件下,當(dāng)uo=十12V時,芯片功耗(PD)與電源效率η)、輸出功率(Po)的關(guān)系曲線,分別如圖3.2.1所示?,F(xiàn)規(guī)定以下條件:開關(guān)頻率f=132kHz;交流輸人電壓u=230v±15%;輸入濾波電容CIN的容量按1uF/w的比例系數(shù)選取;感應(yīng)電壓UOR=135v:捅極鉗位電壓UB=200V。

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圖5芯片功耗(PD)與電源效率η)、輸出功率(Po)的關(guān)系曲線
 

漏極鉗位電路中可以并聯(lián)上Rc網(wǎng)絡(luò),以減少瞬態(tài)電壓抑制器的損耗;輸出整流管采用肖持基二極管,5v輸出時肖特基二極管的正向壓降為0.45V、反向 耐    壓為45V,12v輸出時分別為0.54v、100v;TOPSwitch在額定輸出時的最高結(jié)溫TJMAX=100℃(僅Y封裝為110℃)。圖中,橫坐標(biāo)代表Po縱坐標(biāo)代表η所給出的八條實線依次為電源效率,虛線則表示芯片功耗的等值線。若要使用陰影區(qū)內(nèi)的曲線部分,應(yīng)選更大功率的輸出整流管并增加濾波電容的容量,此時電源效率會降低些。由于該設(shè)計的開關(guān)電源是固定輸入,輸出為12v、30w:從圖5可以看出,當(dāng)Po=30w可選TOP243、TOP244,用TOP243時效率83.8%,功耗1.3w;用TOP244時效率84.9%,功耗1w;鑒于價錢相差不大,考慮用了TOP244。

4、漏極保護(hù)電路的選擇

鑒于在功率MOSFET關(guān)斷的瞬間,高額變壓器的漏感會產(chǎn)生尖郵電壓UL,另外在Np上還臺產(chǎn)生成應(yīng)電壓(即反向電動勢)UOR,二者登加在直流楊入電壓UI上。在典型情況下,UIMAX=380V,UL≈165V,UOB=135V,即UIMAX十UL十UOB≈680v。這就要求功率MOSFET至少應(yīng)能承受700v的高壓,即U(BR)DS≥700v,同時還必須在漏極增加鉗位電路,用以吸收尖均電壓,保護(hù)功率MOSPET不受損壞。鉗位電路由VD1、R3、C1組成,VD1選用反向耐壓為1000V的快速高效整流二極管HER108。當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時,NP的電壓極性上端為正,下端為負(fù),使VDl截止,鉗位電路不起作用。在MOSFET截止瞬間,NP變?yōu)橄露藶橹?,上端為?fù),此時VDl導(dǎo)通,尖峰電壓就被R12、R9和C11吸收掉。如圖6所示:

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圖6 漏極保護(hù)電路
 

四、總結(jié)

設(shè)計完畢后,會做一些試驗,這里只告訴大家做了哪些試驗,可以做空載試驗,和帶金屬負(fù)載試驗。大家可以根據(jù)自己動手的情況好好體會該設(shè)計的獨特之處。
 

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