新型單片開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)

1、新型單片開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)慕政平(陜西省電子產(chǎn)品監(jiān)督檢驗(yàn)所陜西西安710004摘要:介紹了反激式變換器的基本設(shè)計(jì)規(guī)則,同時(shí)以西門(mén)子TDA 1683x 系列電流型單片開(kāi)關(guān)電源為例,介紹一種新型單片開(kāi)關(guān)電源的原理和設(shè)計(jì),該電源具有外圍電路簡(jiǎn)單、溫度范圍寬的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該電源工作可靠、性能優(yōu)良、可廣泛應(yīng)用于可靠性要求較高的電力電子系統(tǒng)中。關(guān)鍵詞:反激式變換器;單片開(kāi)關(guān)電源;TDA 1683x ;外圍電路中圖分類號(hào):T P 303+13文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1004373X (20051310502D esign of New Type Si ngle Ch ip Sw itch i ng Po

2、wer SupplyM U Zhengp ing(Shaanxi E lectronic Institute of Supervisi on ,X i an ,710004,Ch ina Abs tra c t :T h is paper in troduces the basic ru le of the backw ard converter ,p resen ts the p rinci p le ,design m ethod and experi m en ta 2ti on resu lt of a new pattern single ch i p s w itch ing po

3、w er supp ly by a system m ade of TDA 1683x ,a series of electric cu rren t single ch i p s w itch ing pow er supp ly p roduced by S IE M EN S company 1T he s w itch ing pow er supp ly has the virtue of si m p le peri pheral and w ide range of temperatu re 1T he experi m en t resu lt has p roved its

4、 h igh reliab ility and quality ,so it can be w idely u sed in pow er electron ics system 1Ke yw o rds :backw ard converter ;single ch i p s w itch ing pow er supp ly ;TDA 1683x ;peri pheral circu it收稿日期:200504281概述反激式變換器原理如圖1所示,由于電路簡(jiǎn)單,且能高效提供直流輸出,對(duì)多組輸出特別有效,因此廣泛用于電力電子的內(nèi)部電源。圖1反激式變換器原理在反激式變換器中,一般有2種工作模

5、式:完全能量轉(zhuǎn)換型(電感電流不連續(xù)和不完全能量轉(zhuǎn)換型(電感電流連續(xù)方式。這兩種工作方式的小信號(hào)傳遞函數(shù)是極不相同的,動(dòng)態(tài)分析時(shí)要做不同處理。當(dāng)變換器輸入電壓在一個(gè)較大范圍內(nèi)發(fā)生變化,或負(fù)載在較大范圍變化時(shí),必然跨越兩種工作方式。因此反激式變換器常要求能在完全和不完全能量轉(zhuǎn)換方式下穩(wěn)定工作。本文介紹的TDA 1683x 是一種電流型I C ,因此當(dāng)用于反激式變換器中時(shí),可以使能量完全轉(zhuǎn)換方式的許多設(shè)計(jì)問(wèn)題簡(jiǎn)化。在不完全能量轉(zhuǎn)換方式中,由于傳遞函數(shù)“右半平面零點(diǎn)”,在高頻段引入180°相位改變,則電流方式控制不能消除固有不穩(wěn)定問(wèn)題,這就要求控制環(huán)增益偏離低頻段,并要求能降低瞬態(tài)響應(yīng)速度,

6、這些都要通過(guò)調(diào)整P I D 常數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。同時(shí),能量不完全傳遞型的傳遞函數(shù)帶有低輸出阻抗的兩個(gè)極點(diǎn)系統(tǒng),輸出負(fù)載加大時(shí),脈寬僅需輕微增加即可,可以使輸出的負(fù)載能力增強(qiáng)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,恰當(dāng)掌握磁性參數(shù),可使電源工作在較大動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)。在采用不完全能量傳遞方式時(shí),由于出現(xiàn)直流分量,需加氣隙以便增加其動(dòng)態(tài)范圍,增加其輸出功率。同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)選小的B ,從而可以降低損耗,提高電源的穩(wěn)定性。一般設(shè)變壓器傳遞功率可用下式表示:P =f V eB wB rH d B =12L P (I 2P 2-I 2P 1其中:V e 表示磁體體積;L P 表示氣隙長(zhǎng)度;I 2P 1,I 2P 2為導(dǎo)通周期始、末的瞬時(shí)電流值。

7、顯然氣隙的存在提高了傳遞的功率(圖2陰影部分。值得注意的是,增加氣隙對(duì)由于負(fù)載引起的磁飽和有明顯的抑制作用,但對(duì)于因輸入電壓過(guò)高和 或開(kāi)關(guān)頻率過(guò)低引起的磁飽和是無(wú)用的?？傊?外加的伏秒值、匝數(shù)和磁芯面積決定了B 軸上的B ac ,直流的平均電流值、匝數(shù)和磁路長(zhǎng)度決定了H 軸上H ac 值的位置。為了防止磁飽和,必須有足夠的線圈數(shù)和磁芯面積來(lái)平衡外加的伏秒值,必須有足夠的氣隙來(lái)平衡現(xiàn)代電子技術(shù)2005年第13期總第204期電子技術(shù)應(yīng)用直流電成分, 這在變壓器設(shè)計(jì)中是非常重要的。圖2變壓器磁化曲線及傳遞能量在實(shí)際設(shè)計(jì)中,通過(guò)改變初級(jí)電感和調(diào)整氣隙大小來(lái)選擇能量傳遞方式。經(jīng)驗(yàn)證明,一個(gè)合適的氣隙可以

8、使電流瞬時(shí)值、效率、噪音都比較合適。氣隙的確定,除計(jì)算外,還需實(shí)際調(diào)整,使上述指標(biāo)達(dá)到最佳。2工作原理S IEM EN S 公司最新推出的TDA 1683x 系列電流型單片開(kāi)關(guān)電源,具有體積小、外圍電路簡(jiǎn)單、溫度范圍寬的特點(diǎn),很適用于逆變電源、變頻器等電力電子設(shè)備的工作電源。這種電流型控制器件工作原理如圖3所示。流經(jīng)M O S 管電流的大小和一個(gè)給定電壓值進(jìn)行比較,其輸出確定了M O S 管的導(dǎo)通時(shí)間,其中輸出電壓和給定電壓相關(guān)。為了簡(jiǎn)化外部電路,M O S 管的電流檢測(cè)電阻直接集成在I C 內(nèi)部。同時(shí),確定單片電源頻率的振蕩電阻和電容,也集成于I C 內(nèi)。為了盡量降低溫度對(duì)芯片工作的影響,采

9、取了專門(mén)的溫度補(bǔ)償措施,并盡量降低電阻的誤差。圖3TDA 168319系列電流型單片開(kāi)關(guān)電源工作原理下面,以TDA 16833為例分析其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的功能。啟動(dòng)電路(UVLO 該部分接于外部V CC 端。當(dāng)V CC電壓高于固定的開(kāi)通門(mén)限電壓時(shí),UVLO 工作,bias 電路和軟啟動(dòng)電路閉合。一旦V CC 電壓低于關(guān)閉門(mén)限電壓時(shí),則電路關(guān)閉。此時(shí)電路的電流消耗被限制到最小。電流源(bias 該電路給內(nèi)部提供一個(gè)恒定的電流,用以限流和定時(shí)、軟啟動(dòng)等。軟啟動(dòng)(so sta 此功能只限于TDA 16836 7。當(dāng)芯片起振后,在軟啟動(dòng)電容電壓上升過(guò)程后,M O S 管的導(dǎo)通時(shí)間逐步增加,避免了M O S 管

10、導(dǎo)通時(shí)間瞬時(shí)增至最大帶來(lái)的不良影響,例如防止功率變壓器電流飽和,限制輸出濾波電容形成的浪涌電流以及輸出的瞬時(shí)過(guò)沖電壓等。特別是芯片的供電是由功率變壓器輔助繞組提供時(shí),輸出的過(guò)沖電壓造成的影響會(huì)很大。這時(shí),當(dāng)輸出功率較大時(shí),變壓器產(chǎn)生的過(guò)沖電壓往往會(huì)超過(guò)V CC 的最高允許值。振蕩器(o se 該部分有一個(gè)分頻觸發(fā)器,該觸發(fā)器可以將振蕩頻率降至一半,形成開(kāi)關(guān)頻率。同時(shí),他能使最大占空比D max =015。必要時(shí),可利用輔助電路,使D m ax =0175。誤差放大器(pwmop 放大進(jìn)入的M O S 電流信號(hào),并將其轉(zhuǎn)換成電壓。一般情況下,當(dāng)對(duì)M O S 管進(jìn)行斬波操作時(shí),會(huì)在電流信號(hào)前形成一

11、個(gè)尖峰脈沖,從而使比較結(jié)果失效,這點(diǎn)在輕負(fù)載時(shí)尤為顯著。該放大器提供了前沿消隱功能,實(shí)際電流信號(hào)經(jīng)過(guò)外部偏置而限制了這種現(xiàn)象。比較器(comparato r 該比較器把被放大了的M O S 管電流信號(hào)pwm rmp 和由V out 來(lái)的參考信號(hào)pwm I N 進(jìn)行比較。當(dāng)電流信號(hào)大于參考信號(hào)時(shí),M O S 管關(guān)閉。圖中還有一個(gè)輔助比較器,設(shè)置了非常低的門(mén)限電壓,用來(lái)實(shí)現(xiàn)0%占空比。邏輯控制(log pwm 該電路由一個(gè)R S 觸發(fā)器和一個(gè)與非門(mén)組成。該部分控制著M O S 管的導(dǎo)通與關(guān)斷。使M O S 管導(dǎo)通的條件是使下面諸條件全部成立:軟啟動(dòng)開(kāi)始,pwm I N 信號(hào)超過(guò)最低門(mén)限,pwm I

12、 N 信號(hào)高于pwm rmp ,過(guò)電流關(guān)閉無(wú)效,過(guò)熱關(guān)閉無(wú)效,以及t f f 電路輸出啟動(dòng)脈沖。使M O S 管關(guān)斷的條件是使下面任一條件成立:超過(guò)pwm I N ,或者占空比超過(guò)015,或者pwm cs 超過(guò)I m ax ,或者硅片的溫度超過(guò)T m ax ,或者UVLO 低于最低門(mén)限。R S 觸發(fā)器的作用是確保在每一個(gè)周期內(nèi)只進(jìn)行一次開(kāi)通操作。3專用驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)S IEM EN S 的TDA 1683x 系列單片開(kāi)關(guān)電源憑借其獨(dú)到的性能,可應(yīng)用于可靠性要求較高的電力電子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。下面針對(duì)IPM 模塊(CTM series 電源的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介如下。311電路原理電路原理如圖4所示。適用于3k W

13、 以下三相變頻器(下轉(zhuǎn)第110頁(yè)電子技術(shù)慕政平:新型單片開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)以接受的錯(cuò)誤隱藏結(jié)果。對(duì)于I VO P,V P內(nèi)所有的M B的直流系數(shù)可以集中在一起用直流標(biāo)志(DC M A R KER與交流系數(shù)分開(kāi)傳送。如果交流系數(shù)出現(xiàn)錯(cuò)誤,可用DC覆蓋整個(gè)M B。對(duì)于P VO P,V P內(nèi)所有的M B的運(yùn)動(dòng)矢量(M V可以集中在一起用運(yùn)動(dòng)矢量標(biāo)志(M V M A R KER殘差圖像的DCT系數(shù)分開(kāi)傳送。如果DCT系數(shù)出錯(cuò),整個(gè)M B丟棄這些系數(shù)而用M V所指的參考圖像代替。在將來(lái)3G網(wǎng)絡(luò)中,開(kāi)展移動(dòng)通信和多媒體下載業(yè)務(wù),特別是汽車電子這樣的一個(gè)集群移動(dòng)通信和多媒體環(huán)境,可用的實(shí)際帶寬和傳輸多媒體數(shù)據(jù)的

14、穩(wěn)定性和可靠性(容錯(cuò)和糾錯(cuò)性是關(guān)鍵,綜合M PEG4的特點(diǎn),高壓縮率,但是保有極佳的音質(zhì)和畫(huà)質(zhì);存取靈活多樣性,可以采用各種存儲(chǔ)媒體,提高抗錯(cuò)誤能力,空域和時(shí)域的可擴(kuò)展性以及強(qiáng)健的糾錯(cuò)能力和容錯(cuò)能力;強(qiáng)大的多媒體功能。這些特點(diǎn)正好迎合汽車電子的移動(dòng)通信系統(tǒng)和多媒體業(yè)務(wù)要求,M PEG4的低碼率高壓縮性使得可以適應(yīng)車載移動(dòng)通信系統(tǒng)在車快速移動(dòng)時(shí)帶寬變窄,容錯(cuò)和糾錯(cuò)性保障了傳輸?shù)馁|(zhì)量有穩(wěn)定性和可靠性。強(qiáng)大的多媒體功能滿足汽車電子多媒體業(yè)務(wù)的需求,比如通過(guò)多媒體無(wú)線接入,可以瀏覽網(wǎng)頁(yè)、看新聞、閱讀郵件、在線游戲等。4結(jié)語(yǔ)隨著3G的發(fā)展和成熟,使得各種多媒體增值服務(wù)更加多樣化成為可能,克服了第一代和第

15、二代服務(wù)內(nèi)容單一,各種多媒體服務(wù)相關(guān)產(chǎn)業(yè)雨后春筍般的出現(xiàn)。在汽車電子這樣一個(gè)特殊應(yīng)用領(lǐng)域,基于3G的多媒體服務(wù)成為一個(gè)亮點(diǎn),M PEG4具備低碼率獲得高質(zhì)量,強(qiáng)大的多媒體支持和強(qiáng)大的抗錯(cuò)和糾錯(cuò)能力,在汽車電子移動(dòng)通信和多媒體中應(yīng)用,使得車載移動(dòng)通信和多媒體服務(wù)不再是可望不可及。參考文獻(xiàn)1余兆民,李曉飛,陳來(lái)春1M PEG標(biāo)準(zhǔn)及其應(yīng)用M1北京:北京郵電大學(xué)出版社,200212M PEG4視頻容錯(cuò)性及在3G中應(yīng)用13M PEG4V ideo V erificati on M odel versi on1610ISO IECJTC1 SC29 W G11N3312M arch200014H1264a

16、nd M PEG4V ideo Comp ressi on V ideo Code fo rN ex t generati on M u lti m edia the Robert Go rdon U n iversi2 ty A berdeen U K15h ttp: www1ch inadvr1com A rticle_Special16h ttp: www1lium eiti1o rg7h ttp: www1mpeg41net8h ttp: www1m4if1o rg mpeg49M PEG4Comp ressed V ideo over the In ternet1D a peng W uPo lytechn ic U n iversity B rook lyn1999IEEE1作者簡(jiǎn)介潘秋菱博士,中興通訊技術(shù)中心汽車電子項(xiàng)目經(jīng)理。長(zhǎng)期從事嵌入式系統(tǒng),軟件開(kāi)發(fā)管理。肖乾友碩士,電子科技大學(xué)。研究方向?yàn)閿?shù)字圖像處理和數(shù)字信號(hào)處理。(上接第106頁(yè)供電的要求。由于外圍元件少、電路簡(jiǎn)單、可靠性很高,TDA16832本身無(wú)需散熱器。圖4變頻空調(diào)開(kāi)關(guān)電源電路原理圖312硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試逆變變壓器:采用TO K I N專用于逆變器電源的I V T28P變壓器,排列次序如圖4所示。該變壓器由于結(jié)構(gòu)的特殊性,保障了各繞組間可承受1500V A C(1m