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基于TOPSwitch及PI Expert的单端反激式开关电源设计
发布者:pkcctv.com     发布时间:2008-7-4 8:19:27    阅读:546559

来源:  电源技术应用

0 引言

  以其小型、轻量和高效率的特点,被广泛地应用于各种电气设备和系统中,其性能的优劣直接关系到整个系统功能的实现。开关稳压电源有多种类型,其中单端反激式由于具有线路简单,所需要的元器件少,能够提供多路隔离输出等优点而广泛应用于小功率电源领域。

  传统的一般由控制芯片(如UC3842)和功率开关管(频率较高时一般使用MOSFET)组成,芯片控制环路设计复杂,容易造成系统工作不稳定,功率开关管有时需要外加驱动电路。另外,反激变压器的设计也是一个难点,其往往导致电源设计周期延长。随着公司生产的以为代表的新一代单片的问世,以上诸多问题都得到了很好的解决。应用设计,不仅器件更少,结构更简单,发热量更少,工作更可靠,而且与之配套的软件设计平台Pl 使得变压器的设计也变得异常容易。两者结合已成为一种高效的设计方案。本文以一个具体的设计实例,洋细阐述了如何应用 进行没计,并通过试验进行了验证。

  1 基本工作原理

  单端反激式的基本本作原理比较简单。采用基本反馈电路的基于的单端反激电路如图l所示,其中变压器T1具有能量存储、原副边隔离和电压转换三种作用。

       

  开通时副边整流二极管D2截止,此间输出负载的能量由C1提供;关断后,变压器磁心中的磁通减少,副边绕组电压极性反向,整流二极管开始导通,存储在变压器中的能量输送给负载,同时补充C1先前减少的能量。

  根据变压器原边电流是否减小到零,可以将单端反激式分为断续和连续两种工作模式。不同工作模式对整个电源的效率以及相关参数的选择都有一定影响。

  2 TOPSwithch及 简介

  系列单片是美国Power Integrations()公司开发的新型芯片,其将离线式所必需的各种功能模块都集成到一块芯片上,包括高压功率场效应管MOSFET、控制器、高频振荡器、高压启动偏置电路、基准电压、误差放大器、用于环路补偿的并联偏置调整器以及各种保护电路等。

  主要引脚有三个,分别为引脚DRAIN(D)、引脚SOURCE(S)和引脚CONTROL(C),附加引脚包括过欠压检测(L)、电流限制(X)以及频率选择(F)。

  使用时需在C和S之间接一个47μF旁路电容,利用该电容的充电过程来实现电路的软启动。CONTROL引脚为误差放大器和反馈输入脚,实现占空比调节控制。

   是Pl公司专门针对开发的一种交互式电源设计软件平台。其特点是简单易用、灵活方便,是一种高效的没计工具。

  3 设计实列

  本文设计一种单端反激式多路输出,用作电气传动系统中的控制及驱动电源。其输入电压为交流85~265V,并要求整个电路结构简单、工作可靠,具有过欠压保护功能。各路输出之间相互电气隔离,其中用作控制电源的一路要求输出功率较大,稳压精度±5%,用作驱动的各路输出功率较小,稳压精度±10%。

  3.1 电路结构选择

  单端反激式的电路结构根据采用的反馈方式的不同可分为以下几种:

  (1)Primary/Basic型,利用绕组进行反馈;

  (2)Primary/Bnhanced型,利用绕组和一个齐纳二极管进行反馈;

  (3)Opto/Zener型,利用光耦和齐纳二极管进行反馈;

  (4)Opto/TL43l型,利用光耦和精密基准源TL43I进行反馈。

  以上几种结构,性能依次增强,但成本和复杂程度也依次增加。

  Primary/Basic型结构最简单,只需要一个电阻,利用各绕组之间的磁耦合关系,直接采用绕组进行反馈(图1所示)。本设计采用这种结构,并对要求有较高稳压精度的+5V控制电源一路加装一片稳压芯片(如7805),这样既保证了所要求的输出有足够的稳压精度,同时也省去了反馈光耦和精密基准源TL43l,电路结构简单,工作可靠,从成本上考虑也是可取的。

  系统电路图如图2所示。

       

  图2中,P6KE200和BYV26C组成关断过压吸收电路,R1为过欠压检测电阻,R2为过流检测电阻,NF为反馈绕组,RF为反馈电阻。

  3.2 反激变压器设计

  变压器是的核心部件,其设计的好坏直接影响的性能。由于在反激式中,反激变压器除了实现原副边隔离和电压转换外,还承担储能的作用,所以在常规的变压器设计方法基础之上,反激变压器的设计还要特别关注原边电感量这个重要参数,其直接影响变压器储能的大小。

  手工设计反激变压器非常复杂。需要计算原边电感量,根据功率初步选定一个磁芯和骨架,计算原副边匝数,计算线径,计算气隙长度,最后核算窗口面积和最大磁通密度,如超过限定值。则需重新设计。经过反复的计算及修改,直到满足要求为止。

  应用 软件只需经过几步简单的操作,就能得到设计结果,包括所推荐的变压器磁芯型号、原副边匝数、导线线径、原边电感量和T0P-Switch芯片型号等关键参数。最终设计参数如下:

  芯片型号 TOP243Y;
  磁芯型号 EI22;
  原边电感 600μH;
  原边匝数 原边56匝;
  副边匝数 3匝(5V),8匝(15V);
  反馈绕组匝数 4匝;
  线径 35AWG(原边),31-35AWG(15V),2l-25AWG(5V)。
  另外,在此基础上还可以用公司提供的 Transformer Designer软件对变压器参数进行优化。

  4 试验结果及分析

  根据以上设计,实际构建了一个基于TOP243Y的单端反激式多路输出硬件电路进行试验。

  4.1 自动重启试验

  为了掌握芯片的工作特性,在搭建好试验电路后,断开芯片控制端的反馈电路,仅在漏源之间加一个30V左右的低电压对其进行自动重启试验。图3为自动重启过程波形图。通道l为漏极电压波形,通道2为控制端电压波形。从图3中可以看出,控制端电压VC保持在4.8~5.8V之间,这是由芯片内部的高压电流源不断对控制端电容进行充放电形成的。每经过8个这样的充放电周期,芯片将重启一次,这样极大地减少了芯片的功耗。另外,一些电路故障(如输出短路)也会导致芯片进入自动重启过程。

       

  4.2 负载试验

  在AC l00V输入情况下,给所有输出带上额定负载。通过长时间考核实验后,各路电源输出稳定、输出电压值满足设计要求。其中两路的输出电压波形如图4所示。

  轻载时电源工作在断续模式,断续模式时输出电压对负载变化比较敏感;满载时电源工作在连续模式,连续模式时负载波动对输出电压的影响较小。断续和连续时管漏源电压波形如图5所示。

       

  另外,还选择了其中的5V/lA和15V/100mA两路进行了 200%过载试验。过载这两路输出电压比设计值下降约lV,输出电压纹波明显增大,TOP管发热量增加,变压器发热量增加且有微响,输出滤波电容发烫;额定负载的几路输出电压也下降了约O.5V,其它正常。半小时后,管过热保护。

  4.3 过欠压保护试验

  过欠压检测电阻取值为2MΩ,当输入交流整流后的直流电压低于100V时欠压保护动作,高于450V时过压保护动作。无论是过压还是欠压,都将导致管停止工作,直到过欠压情况消失,系统才能恢复正常工作。

  4.4 单点故障试验

  为了保证电路的可靠性,对电路中的不同器件和不同关键节点进行了开路、短路试验。针对一路输出的单点测试方案包括以下几项试验:a漏极、控制端开路试验;b控制端外接电容短路、开路试验;c原边绕组短路、开路试验;d副边绕组或输出整流二极管短路、开路试验;e输出滤波电容短路、开路试验。

  试验结果如表1所列。其中a至e代表上面提及的试验项目,b(短)表示b项目控制端外接电容短路,b(开)表示b项目控制端外接电容开路,其他依此类推。

       

  5 结语

  试验证明本文所设计的单端反激式多路输出具有良好的工作性能。该电路所用器件少,结构精简,控制方式简单,具有过欠压等保护功能,大大提高了系统的可靠性和电磁兼容能力。采用系列芯片结合 软件进行设计,周期短,成本低,效率高。

 
 

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