《電子技術(shù)應(yīng)用》
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TOPSwitchⅡ在穩(wěn)壓電源中的應(yīng)用
劉喜甫,劉志忠
摘要: TOPSwitch-II器件是一種PWM/MOSFET二合一的新型集成芯片,采用它制作高頻開(kāi)關(guān)電源,不僅簡(jiǎn)化了電路,,同時(shí)可以改善電源的電磁兼容性能,,降低制作成本,本文介紹一種用TOP225Y制作的實(shí)驗(yàn)穩(wěn)壓電源,。
Abstract:
Key words :

1引言

在進(jìn)行電路和單片機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí),,實(shí)驗(yàn)穩(wěn)壓電源是必需的設(shè)備之一,對(duì)這類穩(wěn)壓電源,,功率容量并不要求很大,,但要有多組輸出電壓,其中最好有一組輸出電壓能夠連續(xù)可調(diào),,以適應(yīng)不同場(chǎng)合的需要,。市售的實(shí)驗(yàn)穩(wěn)壓電源種類很多,但基本上都是采用工頻線性穩(wěn)壓方式,。其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單,、易制造、價(jià)格低,,缺點(diǎn)是體大笨重和效率低,。采用高頻開(kāi)關(guān)電源是克服上述缺點(diǎn)的有效途徑,但一般的高頻開(kāi)關(guān)電源電路復(fù)雜,,元器件較多,,制作成本也會(huì)有所提高,所以目前在實(shí)驗(yàn)穩(wěn)壓電源中采用高頻開(kāi)關(guān)技術(shù)的仍不多見(jiàn),。然而采用TOPSwitch等新型器件制作的高頻開(kāi)關(guān)電源,,電路可以做得和工頻線性穩(wěn)壓電源一樣簡(jiǎn)單,性能很優(yōu)越,,效率卻遠(yuǎn)高于后者,,而成本也不會(huì)有明顯的增加。

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圖1TOPSwitch-Ⅱ系列器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

TOPSwitch器件是美國(guó)功率集成公司(POWERIntegrationsInc),,于90年代中期推出的新型高頻開(kāi)關(guān)電源芯片,。它是三端脫線式PWM開(kāi)關(guān)的英文縮寫(xiě)(ThreeterminalofflinePWMSwitch),。它的特點(diǎn)是將高頻開(kāi)關(guān)電源中的PWM控制器和MOSFET功率開(kāi)關(guān)管集成在同一芯片上,是一種二合一器件,。這大大簡(jiǎn)化了電源電路,,提高了可靠性,使得電源的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單快捷,。TOPSwitch器件有多種封裝形式,,采用DIP-8和SMD-8封裝的,中間4只為空腳,,可以將它們接到印刷電路板的銅箔上,,將芯片產(chǎn)生的熱量直接傳到印刷電路板上,不必另設(shè)散熱器,,節(jié)省了成本,。采用TO220封裝的,只有3只管腳,,使用起來(lái)就和一只大功率三極管一樣便利,。此外由于PWM控制器和MOSFET功率開(kāi)關(guān)管是在管殼內(nèi)連接的,連線極短,,這就消除了高頻輻射現(xiàn)象,,改善了電源的電磁兼容性能,減小了器件對(duì)電路板布局和輸入總線瞬變的要求,。TOPSwitch-II是TOPSwitch的改進(jìn)型號(hào),,它將單電壓輸入時(shí)的最大功率100W提高到150W,電磁兼容性也得到增強(qiáng),,該器件具有更高的性能價(jià)格比,。TOPSwitch-II器件包括TOP225-TOP227等幾個(gè)型號(hào),主要差別就在于輸出功率的不同,。TOPSwitchII器件的內(nèi)部電路與性能分別見(jiàn)圖1和表1所示,。

圖2穩(wěn)壓電源原理圖

表1TOPSwitch-Ⅱ的產(chǎn)品分類及最大輸出功率POM

 

TOP-220封裝(Y) DIP-8封裝(P)/SMD-8封裝(G)
產(chǎn)品型號(hào) 固定輸入(110/115/230VAC±15%) 寬范圍輸入(85~265VAC) 產(chǎn)品型號(hào) 固定輸入(110/115/230VAC,±15%) 寬范圍輸入(85~265VAC)
TOP221Y 12W 7W TOP221P/G 9W 6W
TOP222Y 25W 15W TOP222P/G 15W 10W
TOP223Y 50W 30W TOP223P/G 25W 15W
TOP224Y 75W 45W TOP224P/G 30W 20W
TOP225Y 100W 60W —— —— ——
TOP226Y 125W 75W
TOP227Y 150W 90W

 

2工作原理

該電源電路拓?fù)錇閱味朔醇な剑娐吩硪?jiàn)圖2所示,。220V市電經(jīng)電源噪聲濾波器LF后再通過(guò)橋式整流器直接整流,。電源濾波器的作用一方面是濾除由電網(wǎng)傳來(lái)的雜波電壓,凈化輸入電源,,另一方面也阻止高頻開(kāi)關(guān)電源的振蕩電壓竄入電網(wǎng),,干擾其它電器。現(xiàn)在很多電源設(shè)計(jì)不重視電源濾波器的選擇,,一些中小功率的高頻開(kāi)關(guān)電源往往不加電源濾波器,,這樣不僅降低了電源本身的抗干擾能力,影響其工作穩(wěn)定性,而且也造成對(duì)公共電網(wǎng)的污染,。市電經(jīng)整流和電容濾波后,,變成308V的直流電壓供給TOPSwitch-II器件,TOPSwitch-II構(gòu)成DC/DC變換器,,它將輸入的直流高壓變成脈寬可調(diào)的高頻脈沖電壓,,經(jīng)高頻變壓器降壓后再進(jìn)行半波整流和濾波,變成所需要的直流電壓輸出,。R1、C1,、VD1組成緩沖吸收電路,,吸收功率器件在關(guān)斷過(guò)程中由于變壓器漏感產(chǎn)生的電壓尖峰過(guò)沖,電路的工作頻率為100kHz,,振蕩元件已固化在器件內(nèi)部,,高頻變壓器的次級(jí)有4個(gè)繞組,其中的5V/3A繞組N3控制TOPSwitch-II器件的脈寬,,即這一組輸出電壓為PWM穩(wěn)壓,,由并聯(lián)可編程穩(wěn)壓器TL431和光電耦合器PC及分壓電阻R7、R8完成取樣反饋工作,。之所以選擇這一繞組進(jìn)行脈寬控制,,是因?yàn)樗妮敵鲭妷旱碗娏鞔螅荏w現(xiàn)出開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)越性,。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)光耦的隔離供電,,變壓器單設(shè)了一個(gè)輔助繞組N2。±12V/0.5A繞組N4及N5采用集成三端穩(wěn)壓器LM7812和LM7912進(jìn)行線性穩(wěn)壓,,因輸出電流不大,,功耗較低,散熱問(wèn)題容易解決,。次級(jí)中還有一個(gè)1.25V~30V/1.5A的可調(diào)繞組N6,,采用了可調(diào)三端穩(wěn)壓器LM317進(jìn)行線性穩(wěn)壓和調(diào)壓,為了克服線性穩(wěn)壓在低壓輸出時(shí),,功耗大和效率低的缺點(diǎn),,此繞組設(shè)置了高、低兩個(gè)抽頭,,抽頭的變換由繼電器自動(dòng)切換,,切換電壓設(shè)在15V,由TL431取樣,。當(dāng)要求輸出電壓低于15V時(shí),,TL431的參考輸入端的電壓低于2.5V,TL431截止,,繼電器K不吸合,,低壓繞組被接通,。反之,當(dāng)要求輸出電壓高于15V時(shí),,TL431的參考輸入端的電壓高于2.5V,,TL431導(dǎo)通,繼電器吸合,,高壓繞組被接通,。電壓表PV指示輸出電壓的數(shù)值。

TOPSwitch-II器件型號(hào)的選擇

本電源總輸出功率為各組輸出功率之和:

PO=5×3+12×2×0.5+30×1.5=72W

若電源總的效率為80%,,則電源輸入的總功率應(yīng)為:

Pi=PO/80%=72/0.8=90W

從表1可以看出,,在220V單一電壓條件下,TOP225Y的最大輸出功率為100W,,能夠滿足本電路要求,。

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圖2 穩(wěn)壓電源原理圖

3高頻變壓器的設(shè)計(jì)

在制作單端反激式高頻開(kāi)關(guān)電源時(shí),高頻變壓器的設(shè)計(jì)與計(jì)算是至關(guān)重要的,,其工作量也是比較大的,。

假定交流輸入電壓的范圍是180V~260V,整流器壓降和輸出電壓紋波為22V,,最大占空比為Dmax=0.5,,則K=Uimax/Uimin=364/230=1.58

Dmin=Dmax/[(1-Dmax)K+Dmax]

=0.5/[(1-0.5)×1.58+0.5]=0.38

Ip=2PO/(Uimin×Dmax)

=2×90/(230×0.5)=1.57A

(1)變壓器初級(jí)電感量

Lp=Uimin×Dmax/(Ip×f)

=230×0.5/(1.57×100×103)

=0.73mH

選擇南京CONDA公司的PQ32/30磁芯、LP3材料,、AL=1.61,、磁通密度B=0.39T,變壓器工作在單端狀態(tài),,最大工作磁通

Bmax=B/2=0.39/2=0.19T

為避免出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象,,變壓器磁芯要留有空氣隙,其長(zhǎng)度

Lg=0.4×π×Lp×Ip2/(AL×B2max)

=0.4×3.14×0.73×10-3×1.572

/(1.61×0.192)

=0.04cm

(2)變壓器初級(jí)匝數(shù)N1

N1=Lp×Ip×104/(AL×Bmax)

=0.73×10-3×1.57×104/1.61×0.19

=38匝(取整)

(3)5V繞組匝數(shù)N3

N3=N1(UO+UD)(1-Dmax)/(Uimin×Dmax)

=38×(8+1)(1-0.5)/(230×0.5)

=1匝(取整)

(4)±12V繞組匝數(shù)N4,、N5

N4=N5=N1(UO+UD)(1-Dmax)/(Uimin×Dmax)

=38×(15+1)×(1-0.5)/(230×0.5)

=3匝(取整)

(5)反饋繞組匝數(shù)N2=N4=N5

(6)1.25V~30V可調(diào)繞組匝數(shù)N6

N6=N1(UO+UD)(1-Dmax)/(Uimin×Dmax)

=38×(33+1)(1-0.5)/(230×0.5)

=6匝(取整)

在3匝處抽頭

上述計(jì)算匝數(shù)各公式中的UO為輸出電壓(取額定輸出電壓+穩(wěn)壓器壓降3V),,UD為快恢復(fù)二極管壓降,取1V,。

采用高強(qiáng)度漆包線繞制,,各繞組所用漆包的線徑如下:

N1用0.71mm

N2、N4,、N5用0.42mm

N3用0.99mm

N6用0.72mm

5V繞組的輸出濾波電感線圈L1選4cm磁環(huán),,用1.0mm漆包線穿繞15匝。

高,、低壓切換繼電器用JZC22F,,DC12V/10A,電壓表的型號(hào)為85C1、表盤刻度0~30V,。

高頻變壓器的計(jì)算過(guò)程是很繁瑣的,,要考慮大量相互關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)變量,費(fèi)力耗時(shí),。為減輕設(shè)計(jì)者負(fù)擔(dān),,美國(guó)功率集成公司特為TOPSwitch器件設(shè)計(jì)了一套EXCEL電子表格,可以在PC機(jī)上運(yùn)行,。應(yīng)用電子表格設(shè)計(jì)電源,,簡(jiǎn)單快捷,一般只要10分鐘左右即可完成,。中國(guó)電源學(xué)會(huì)1999年第13屆年會(huì)上,,曾有一篇論文,專門介紹了EXCEL電子表格,,讀者可參閱該文,這里不再贅述,。

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