摘 要： 介紹了一種基于集成式開關(guān)電源芯片TOP256Y的反激式開關(guān)穩(wěn)壓電源。分析了TOP256Y的特性和工作原理,，設(shè)計了一款功率50 W,、輸出+24 V的開關(guān)電源，并對系統(tǒng)開關(guān)電源實用電路及主要單元電路進(jìn)行了詳細(xì)的分析,，進(jìn)行了參數(shù)值計算,、器件的選取與電路設(shè)計。最后,，對該電源進(jìn)行了整體性能分析,。實驗證明：該開關(guān)穩(wěn)壓電源具有效率高、紋波小,、輸出電壓穩(wěn)定等優(yōu)點。
關(guān)鍵詞： 開關(guān)電源,；單端反激式,；高頻變壓器
集成式開關(guān)電源由于具有單片集成化、最簡外電路,、最佳性能指標(biāo),、無工頻變壓器,、能完全實現(xiàn)電氣隔離等顯著特點，顯示出強(qiáng)大的生命力,，是開關(guān)電源的發(fā)展方向,。目前，它已成為國際上開發(fā)300 W以下高效率中,、小功率開關(guān)電源,、精密開關(guān)電源、特種開關(guān)電源及電源模塊的優(yōu)選集成電路,。本文介紹了由美國PI公司生產(chǎn)的TOP256Y型( TOPSwitch-HX系列)單片開關(guān)電源構(gòu)成的24 V/50 W高頻開關(guān)電源模塊,。 該開關(guān)電源模塊可應(yīng)用于直流無刷電機(jī)、儀器儀表等控制供電電源,。
1 TOP256Y的主要性能特點和工作原理
1.1 性能特點
TOP256Y是TOPSwitch-HX系列中一款輸出功率比大的芯片,，其封裝形式是TO-220-7C，TOPSwitch-HX以經(jīng)濟(jì)高效的方式將一個700 V的功率MOSFET,、高壓開關(guān)電流源,、PWM控制器、振蕩器,、熱關(guān)斷保護(hù)電路,、故障保護(hù)電路及其他控制電路集成在一個單片器件內(nèi)。外圍電路簡單,，電磁干擾小,，成本低廉。由于芯片本身功耗很低,，電源效率可達(dá)80%左右,，最高可達(dá)90%。TOPSwitch-HX系列芯片使用了頻率,、電壓監(jiān)測和外部流限3個引腳,，以實現(xiàn)一些新的功能。將如上引腳與源極引腳連接時,，TOPSwitch-HX以類似TOPSwitch的三端模式工作,。然而，在此種模式下,，TOPSwitch-HX仍能實現(xiàn)如下多項功能而無需其他外圍元件：
(1)完全集成的17 ms軟啟動,，通過從低到高掃描限流點和頻率以限制啟動時的峰值電流和電壓，可以顯著降低或消除大多數(shù)應(yīng)用中的輸出過沖,。
(2)最大占空比(DCMAX)可達(dá)78%,，允許使用更小的輸入存儲電容，所需輸入電壓更低或具備更大輸出功率能力,。
(3)采用132 kHz的開關(guān)工作頻率,，可以減小變壓器器和電源的尺寸,，并對EMI沒有顯著影響。
(4)輸入欠壓(UV)檢測可以防止關(guān)機(jī)時輸出的不良波動,，輸入過壓(OV)關(guān)斷電路提高了對輸入浪涌的耐受力,。
(5)采用多模式工作，可以優(yōu)化和提高整個負(fù)載范圍內(nèi)的電源效率,，同時保持多路輸出電源中良好的交叉穩(wěn)壓精度,。
(6)遲滯過熱關(guān)斷功能確保器件在發(fā)生熱故障時自動恢復(fù)。滯后時間較長可防止電路板過熱,。
(7)降低自動重啟占空比和頻率可以增強(qiáng)在開環(huán)故障,、短路或電壓失調(diào)狀況下對電源和負(fù)載的保護(hù)能力。
1.2 工作原理
TOP256Y的內(nèi)部框圖如圖1所示,，主要包括以下部分：
(1)控制(C)引腳
控制引腳是提供供電和反饋電流的低阻抗節(jié)點,。在正常工作期間，分路穩(wěn)壓器用來將反饋信號從供電電流中分離出來,?？刂埔_電壓VC是控制電路(包括MOSFET柵極驅(qū)動在內(nèi))的供電電壓。
(2)脈寬調(diào)制器
脈寬調(diào)制器通過驅(qū)動輸出MOSFET來實現(xiàn)多模式控制,，其占空比與流入控制腳超過芯片內(nèi)部消耗所需要的電流成反比,。
(3)誤差放大器
并聯(lián)調(diào)整器也可在初級反饋應(yīng)用中用作誤差放大器。并聯(lián)調(diào)整器的電壓由一個具有溫度補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)提供,?？刂颇_的動態(tài)阻抗ZC設(shè)置誤差放大器的增益。
(4)可外部編程的片內(nèi)流限
逐周期的峰值漏電流限制電路以MOSFET的導(dǎo)通電阻作為電流采樣電阻,。流限比較器將輸出MOSFET導(dǎo)通狀態(tài)下的漏-源極電壓VDS(ON)與一個閾值電壓相比較,。漏電流太大將使VDS(ON)超過閾值電壓并在下一個時鐘周期開始前關(guān)斷輸出MOSFET。流限比較器的閾值電壓采用溫度補(bǔ)償,，使輸出MOSFET的VDS(ON)隨溫度所產(chǎn)生的變化對流限的影響最小,。
(5)輸入欠壓檢測(UV)
在上電時，UV令TOP256Y在輸入電壓達(dá)到欠壓閾值前保持關(guān)斷,；在斷電時,，UV防止它在輸出失調(diào)后自動重啟動。在斷電時,，UV防止它在輸出失調(diào)后自動重啟動,。
(6)線電壓過壓關(guān)斷(OV)
用于設(shè)置UV欠壓閾值的電阻也用于設(shè)置過壓保護(hù)的閾值，當(dāng)超過閾值時就會立即強(qiáng)制TOP256Y關(guān)斷開關(guān)(完成當(dāng)前開關(guān)周期后),。如果此情況持續(xù)超過100 μs,，TOP256Y輸出將被強(qiáng)制進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)。
(7)遲滯型或鎖存型輸出過壓保護(hù)(OVP)
遲滯型或鎖存型輸出過壓保護(hù)(OVP)的檢測是都是通過觸發(fā)輸入過壓閾值來實現(xiàn)的,。V引腳的電壓將下降0.5 V,，控制器會在電壓下降后立即測量外部所連阻抗。如果IV或IM超過IOV(LS)(典型值為336 μA)100 μs以上,，TOP256Y將永久關(guān)斷,，即鎖存型OVP。只有在VV或VM低于1 V,，或者VC低于上電復(fù)位閾值(VC(RESET))時,，它才會復(fù)位并恢復(fù)正常。
(8)降低DCMAX的線電壓前饋
設(shè)置UV和OV的電阻同時也用于產(chǎn)生線電壓前饋,，使輸出紋波最小并減小了輸入電壓瞬態(tài)變化時對輸出的影響,。值得注意的是，對于相同的控制腳電流,，更高的線電壓會使占空比更小,。
(9)遠(yuǎn)程開/關(guān)
TOP256Y可通過控制流入電壓監(jiān)測引腳或流出外部流限引腳來接通或關(guān)斷。另外,，電壓監(jiān)測引腳上連有1 V的輸入閾值比較器,，此電壓閾值也可用于實現(xiàn)遠(yuǎn)程開/關(guān)控制。
(10)遲滯過熱保護(hù)
TOP256Y由精密的模擬電路提供溫度保護(hù),，當(dāng)結(jié)溫超過熱關(guān)斷溫度(典型值140 ℃)時,，該電路就關(guān)斷輸出MOSFET，當(dāng)結(jié)溫冷卻到遲滯溫度以下時,，自動恢復(fù)并重新正常工作,。
(11)帶隙基準(zhǔn)
TOP256Y內(nèi)部所有的關(guān)鍵電壓均來自于一個具有溫度補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)。此基準(zhǔn)電壓用于產(chǎn)生所有其他內(nèi)部電流基準(zhǔn),，經(jīng)調(diào)整此電流基準(zhǔn)能精確設(shè)定開關(guān)頻率,、MOSFET柵極驅(qū)動電流、流限和線路OV/UV/OVP閾值,。
(12)高壓偏置電流源
在啟動或遲滯模式工作時,，高壓電流源從漏極引腳輸入，為TOP256Y器件提供偏置,，并對控制腳的外接電容充電,。在自動重啟動、遠(yuǎn)程關(guān)斷和過熱關(guān)斷時,，器件進(jìn)入遲滯工作模式,。
2 設(shè)計實例
圖2是用TOP256Y芯片設(shè)計的單端反激式開關(guān)電源的原理圖。輸入為交流220 V(±15%),，輸出為直流+24 V,，功率為 48 W。由于TOPSwitch-HX芯片集成度高,，設(shè)計工作主要是外圍電路的設(shè)計,。外圍電路基本分為輸入整流濾波電路,、高頻變壓器、箝位保護(hù)電路,、欠壓過壓保護(hù)電路,、外部流限保護(hù)電路、輸出整流濾波電路及反饋電路 7 部分,。
2.1 輸入整流濾波電路設(shè)計
輸入整流濾波電路包括交流濾波,、整流部分和整流濾波電容。交流濾波采用∏型濾波電路,，具體參數(shù)如下：去除差模干擾的C1,、C2為0.33 μF/275 V；去除共模干擾的C3,、C4為22 nF/250 V,； 濾波電感T1為20 mH。整流電路是由4只二極管組成的整流橋,，整流二極管的反向耐壓應(yīng)大于400 V,，其承受的沖擊電流應(yīng)大于額定整流電流的5～6倍，選定的整流二極管的穩(wěn)態(tài)電流容量應(yīng)為計算值的兩倍,。
本設(shè)計中,，選用4個IN5408整流二極管構(gòu)成整流橋。在220V AC(±20%)的供電條件下,，電容C5的值可根據(jù)輸出功率按照2 μF/W來取值,，再考慮余量后，取100 μF/400 V,。
2.2 高頻變壓器設(shè)計
單端反激式開關(guān)電源的高頻變壓器磁芯只工作在磁滯回線的第一象限,。在開關(guān)管導(dǎo)通時只儲存能量，而在截止時向負(fù)載傳遞能量,。因此,，它既是變壓器又是儲能電感，具體設(shè)計如下：
(8)確定導(dǎo)線線徑
設(shè)計中初級繞組和反饋繞組用線徑0.31 mm的導(dǎo)線單股繞,， 次級繞組用線徑為0.44 mm的導(dǎo)線雙股并繞,。
2.3 箝位保護(hù)電路設(shè)計
當(dāng)TOP256Y的功率MOSFET管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r，在高頻變壓器T2的初級繞組上會產(chǎn)生尖峰電壓和反射電壓,，其中尖峰電壓是由于高頻變壓器存在漏感而形成,，直流高壓和反射電壓疊加后很容易損壞MOSFET管。因此,，必須設(shè)計箝位保護(hù)電路,，對尖峰電壓進(jìn)行箝位和吸收。
圖2中VD1和VD2構(gòu)成的箝位電路可防止高壓對TOP256Y的損壞，VD1與VD2的選擇由反射電壓VOR決定,。VOR一般取135 V,，VD1箝位電壓 VCLO可取1.5倍VOR，VD2的耐壓值應(yīng)大于最大直流輸入電壓VDCmax,。
本設(shè)計中VD1采用反向擊穿電壓為200 V的TVS(瞬態(tài)電壓抑制器)P6KE200A,，VD2采用反向耐壓為600 V的超快恢復(fù)二極管FR107。
2.4 欠壓過壓保護(hù)電路設(shè)計
通過在V引腳與直流電壓間連接一個4 MΩ的阻抗來實現(xiàn)線電壓檢測,。如果直流輸入電壓升至400 V以上，在電壓恢復(fù)正常值前TOP256Y將停止工作,，以防止器件的損壞,。如果直流輸入電壓低于100 V, 在輸入電壓達(dá)到欠壓閾值前TOP256Y保持關(guān)斷；在斷電時,，防止它在輸出失調(diào)后自動重啟動,。
2.5 外部流限保護(hù)電路
電阻R1、R2和R3用來限制輸出功率,，這樣可以在輸入電壓波動時維持相對恒定的過載功率,。
2.6 輸出整流濾波電路的設(shè)計
輸出整流濾波電路由整流二極管和濾波電容構(gòu)成。輸出整流二極管的開關(guān)損耗占系統(tǒng)損耗的15%以上,，是影響開關(guān)電源效率的主要因素,，它包括正向?qū)〒p耗和反向恢復(fù)損耗。由于肖特基二極管反向恢復(fù)時間短,，在降低反向恢復(fù)損耗以及消除輸出電壓中的紋波方面有明顯的性能優(yōu)勢,，所以選用肖特基二極管作為整流二極管。選取的依據(jù)是最大反向峰值電壓,。次級繞組的反向峰值電壓VSM按1.5倍VO選取,。
對輸出濾波電容，選用100 μF/50 V鋁電解電容,。輸出濾波電感采用6×8的工形磁芯繞制,，用線徑 0.31 mm的導(dǎo)線單股繞，電感值約8 mH,。為減少共模干擾,，在輸出的地與高壓側(cè)的地之間接共模抑制電容，如圖2中的C13,。
2.7 反饋回路的設(shè)計
為了滿足負(fù)載變化較大時的供電要求,，提高輸出電壓的穩(wěn)定度，設(shè)計采用了可調(diào)式精密穩(wěn)壓器TL431加線性光耦TLP521構(gòu)成反饋回路,，電路如圖2所示,。電壓采樣及反饋電路由光耦TLP521、TL431及與之相連的阻容網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。
其控制原理如下：輸出電壓經(jīng)R10,、R11分壓后得到采樣電壓,，此采樣電壓與TL431提供的2.5 V參考電壓進(jìn)行比較，當(dāng)輸出電壓正常(24 V)時,，采樣電壓與TL431提供的2.5 V參考電壓相等則TL431的K極電位不變,，流過光耦二極管的電流不變，光耦CE的電壓不變,，TOP256Y的C腳電位穩(wěn)定,，輸出驅(qū)動的占空比不變，輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定值不變,。當(dāng)輸出24 V電壓因為某種原因偏高時,，經(jīng)分壓電阻R10、R11分壓值就會大于2.5 V,，則TL431的K極電位下降,，流過光耦二極管的電流增大，則流過光耦CE的電流也增大,，TOP256Y的C腳電位下降,，占空比下降，輸出電壓降低,，這樣就完成了反饋穩(wěn)壓的作用,。R9與R10是用于控制環(huán)路的補(bǔ)償。C12主要是用于軟啟動保護(hù),，確保輸出電壓在滿載條件下及低電壓啟動時保持穩(wěn)定,。
為了使反饋回路可靠工作，根據(jù)TLP521的技術(shù)手冊,，二極管的正向電流If在2 mA左右時,，集射電壓在很寬的范圍內(nèi)線性變化。因此一般選TLP521二極管正向電流If為2 mA,。從TL431的技術(shù)手冊可知,，陰極工作電壓UK的允許范圍為2.5～36 V，工作電流IK在1～100 mA內(nèi)變化,，一般選10 mA即可,。
3 設(shè)計驗證
按照以上分析得到的參數(shù)設(shè)計了一款基于TOP256Y的反激式開關(guān)電源，電路原理圖如圖2,。經(jīng)過相關(guān)測試,，該電源在滿載狀態(tài)時，最大占空比為0.6,，電源效率為82%,。
集成開關(guān)電源芯片的應(yīng)用克服了以往開關(guān)電源設(shè)計中外圍元件和輔助電路復(fù)雜等問題,，使開關(guān)電源高效化、模塊化,，并減小了電源的體積,。本文采用TOP256Y 研制了一款新型開關(guān)電源，給出了外圍電路各部分的詳細(xì)設(shè)計方法,，并進(jìn)行了參數(shù)計算,。通過實測結(jié)果分析，驗證了理論的可行性,。具有較強(qiáng)的適用性,。
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