概述
在三相逆變器用開關(guān)電源中,，電源的工作方式有兩種，一種是應用工頻變壓器供電,，另一種是應用開關(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，它們都毫無例外地使用開關(guān)電源,。開關(guān)電源具有重量輕,、體積小、效率高,、穩(wěn)壓范圍寬等優(yōu)點,，正朝著短、小,、輕,、薄、單片集成化,、智能化的方向發(fā)展,。美國PowerIntegrations公司在2001年初開發(fā)的單片開關(guān)電源集成芯片TOP247Y屬于該公司第四代單片開關(guān)電源集成電路TOPSwitch－GX系列。該系列產(chǎn)品除具備TOPSwitch－FX系列的全部優(yōu)點之外,，還將最大輸出功率從75W擴展到250W,，適合構(gòu)成大、中功率的高效率,、隔離式開關(guān)電源,。它的開關(guān)頻率高達132kHz，這有助于減小高頻變壓器及整個開關(guān)電源的體積,。本文介紹了一種基于TOP247Y的多路開關(guān)穩(wěn)壓電源,，其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉,、制作調(diào)試方便,，基本上能達到所要求的條件。
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個引出端,，它們分別是控制端C、線路檢測端L、極限電流設(shè)定端X,、源極S,、開關(guān)頻率選擇端F和漏
極D。利用線路檢測端(L)可實現(xiàn)4種功能：過壓(OV)保護,；欠壓(UV)保護,；電壓前饋(當電網(wǎng)電壓過低時用來降低最大占空比)；遠程通／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。在每個開關(guān)周期內(nèi)都要檢測功率MOSFET漏源極導通電阻Ros(on)上的漏極峰值電流ID(PK),，當ID(PK)>ILIMIT時,，過電流比較器就輸出高電平，依次經(jīng)過觸發(fā)器,、主控門和驅(qū)動級,，將MOSFET關(guān)斷，起到過電流保護作用,。
電源啟動時,，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)制信號并驅(qū)動MOSFET管，因而可通過控制極外接的電容充電過程來實現(xiàn)電路的軟啟動,。當控制極電壓Uc達到5.8V時,，內(nèi)部高壓電流源關(guān)閉，此時由反饋控制電流向Uc供電,。在正常工作階段,，由外界電路構(gòu)成電壓負反饋控制環(huán)，調(diào)節(jié)輸出級MOSFET的占空比以實現(xiàn)穩(wěn)壓,。當輸出電壓升高時,，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，從而使開關(guān)電源的電壓減小,。當控制極電壓低于4.8V時,，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/自動復位滯回比較器可使Uc保持在4.8～5.8V之間,。當開關(guān)電源的負載很輕時，能自動將開關(guān)頻率從132kHz降低到30kHz(半頻模式下則由66kHz降至15kHz),，可降低開關(guān)損耗,，進一步提高電源效率。
多路輸出的開關(guān)電源設(shè)計
由TOP247Y構(gòu)成的多路開關(guān)電源原理圖見圖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)快速恢復二極管、電容濾波后得到多路直流電源,。
當電源輸入交流85～265V時,，交流電壓U依次經(jīng)過電磁干擾(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,，以替代價格較高的TVS(瞬態(tài)電壓抑制器),，用于吸收在TOP247Y關(guān)斷時由高頻變壓器漏感產(chǎn)生的尖峰電壓，對漏極起到保護作用,。次級電壓經(jīng)過整流,、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磁場耦合程度,，次級繞組采用了堆疊式繞法。其穩(wěn)壓原理為，U=UR4+UZ+ULM431,。當U發(fā)生變化時,，如U增加時，流過光耦的電流增大,，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,，這樣達到穩(wěn)壓的目的，反之U減小時也有相同的原理,。
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(基準值)至37V(最大值)之間,。R6和C18構(gòu)成LM431的頻率補償網(wǎng)絡(luò),。C19為軟啟動電容。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)比來確定。R9～R12是15V輸出的假負載,，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
該開關(guān)電源是一個具有多路輸出的直流電源,，由高頻變壓器N個二次繞組經(jīng)整流濾波后獲得。因此開關(guān)電源的性能在很大程度上決定于變壓器的設(shè)計,。
● 功率計算
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,，實際選用功率為25W,。
● 磁芯的選用
根據(jù)參考文獻[3]給出的輸出功率與磁芯尺寸的關(guān)系，本開關(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)的計算
由開關(guān)電源設(shè)計的特點,，在確定功率開關(guān)元件MOS管的工作頻率時,，若工作頻率較低
，則噪聲較大,；若工作頻率較高,，開關(guān)損耗將增大，但可使變壓器,、電容等小型化,。因此在確定開關(guān)頻率時要折衷考慮。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)：
實取N=9(匝)?！ ∫淮卫@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
● 輸入濾波電容C2的負極直接連反饋繞組,，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盡可能靠近源極和控制端的引端,。S極與C、L,、X端過通過一條獨立的支路相連,，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,，并且遠離漏極的支路要防止產(chǎn)生噪聲耦合。
● 線路檢測電阻R1應盡可能接近于L引腳,。
結(jié)束語
綜上所述,，采用TOPSwitch-GX系列芯片設(shè)計的低功率開關(guān)電源，電路結(jié)構(gòu)簡單,，效率高,，成本低。經(jīng)實驗測定,，輸出電壓調(diào)整率,、負載調(diào)整率均在設(shè)定范圍內(nèi)，實驗結(jié)果證明該開關(guān)電源是可靠的,。