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文檔簡(jiǎn)介
1、 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc43604832 第一章 緒論 PAGEREF _Toc43604832 h 1 HYPERLINK l _Toc43604833 1.1智能功率模塊的基本原理 PAGEREF _Toc43604833 h 1 HYPERLINK l _Toc43604834 1.2開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì) PAGEREF _Toc43604834 h 5 HYPERLINK l _Toc43604835 1.2.1 開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展歷史 PAGEREF _Toc43604835 h 6 HYPERLINK l _Toc43604836 1.2.2 開(kāi)
2、關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì) PAGEREF _Toc43604836 h 6 HYPERLINK l _Toc43604837 第二章 三端單片開(kāi)關(guān)電源的原理與應(yīng)用 PAGEREF _Toc43604837 h 8 HYPERLINK l _Toc43604838 2.1 開(kāi)關(guān)電源的基本原理 PAGEREF _Toc43604838 h 8 HYPERLINK l _Toc43604839 2.2 TOPSwitch系列的產(chǎn)品分類及性能特點(diǎn) PAGEREF _Toc43604839 h 10 HYPERLINK l _Toc43604840 2.3 TOPSwitch系列單片開(kāi)關(guān)電源的工作原理 PAGE
3、REF _Toc43604840 h 11 HYPERLINK l _Toc43604841 2.4 單片開(kāi)關(guān)電源的基本原理及反饋電路類型 PAGEREF _Toc43604841 h 14 HYPERLINK l _Toc43604842 第三章 三端單片開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc43604842 h 18 HYPERLINK l _Toc43604843 3.1 單片開(kāi)關(guān)電源的快速設(shè)計(jì)法 PAGEREF _Toc43604843 h 18 HYPERLINK l _Toc43604844 3.2 高頻變壓器的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc43604844 h 25 HYPER
4、LINK l _Toc43604845 3.3 多路輸出式單片開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc43604845 h 27 HYPERLINK l _Toc43604846 3.4 TOPSwitch的使用注意事項(xiàng) PAGEREF _Toc43604846 h 31 HYPERLINK l _Toc43604847 第四章 實(shí)驗(yàn)分析 PAGEREF _Toc43604847 h 35 HYPERLINK l _Toc43604848 結(jié)論 PAGEREF _Toc43604848 h 38 HYPERLINK l _Toc43604849 致謝 PAGEREF _Toc43604849
5、h 39 HYPERLINK l _Toc43604850 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc43604850 h 40第一章 緒論單片開(kāi)關(guān)電源自20世紀(jì)90年代中期問(wèn)世以來(lái),便顯示出強(qiáng)大的生命力,并以其優(yōu)良特性倍受人們的青睞。它極大的簡(jiǎn)化了開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作,也為新型、高效、低成本開(kāi)關(guān)電源的推廣與普及,創(chuàng)造了良好條件。在智能功率模塊(IPM)的應(yīng)用中,需要用到四組互相絕緣的控制電源。使用單片開(kāi)關(guān)電源可以方便地設(shè)計(jì)出高效的控制電源。本章首先闡述IPM的基本原理,然后簡(jiǎn)要介紹開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)、基本原理,以及單片開(kāi)關(guān)電源的基本原理及反饋電路類型。1.1智能功率模塊的基本原理智能電力模
6、塊(IPM)是智能集成電路,因其可靠性高,用戶使用方便的特點(diǎn)贏得越來(lái)越大的市場(chǎng)。本節(jié)以日本富士公司R系列IPM為例,講述了智能電力模塊的結(jié)構(gòu)及其在小型變頻器中的應(yīng)用。 1.1.1 概述智能電力模塊(IPM)又稱為智能集成電路,是電力集成電路的一種。在電力電子變流電路中,電力電子器件必須有驅(qū)動(dòng)電路(或觸發(fā)電路)、控制電路和保護(hù)電路的配合,才能按人們的要求實(shí)現(xiàn)一定的電力控制功能。以往,電力電子器件和配套控制電路是分離器件構(gòu)成的電路裝置,而今半導(dǎo)體技術(shù)達(dá)到了可以將電力電子器件及其配套控制電路集成在一個(gè)芯片上形成所謂的功率集成電路??梢约啥喾N功率器件及其控制電路所需的有源或無(wú)源器件,比如功率二極管、
7、BJT、IGBT、高低壓電容、高阻值多晶硅電阻、低阻值擴(kuò)散電阻以及各元器件之間的連接等。這種功率集成電路特別適應(yīng)于電力電子技術(shù)高頻化發(fā)展方向的需要。由于高度集成化,結(jié)構(gòu)十分緊湊,避免了由于分布參數(shù)、保護(hù)延遲等所帶來(lái)的一系列技術(shù)難題。IPM的優(yōu)點(diǎn):1不易損壞;2IPM內(nèi)藏相關(guān)的外圍電路,縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)時(shí)間;3不需要對(duì)功率開(kāi)關(guān)器件采取防靜電措施;4大大減少了元件數(shù)目,體積縮小。電力集成模塊的智能化主要表現(xiàn)在易控制功能、保護(hù)功能和接口功能等三個(gè)方面。IPM內(nèi)藏過(guò)電壓、過(guò)電流和過(guò)熱等故障監(jiān)測(cè)電路,并可將監(jiān)測(cè)信號(hào)送給CPU。即使發(fā)生負(fù)載事故或使用不當(dāng),也可保證IPM自身不受損壞。目前的IPM一般采
8、用IGBT作為功率開(kāi)關(guān)元件,并也內(nèi)藏電流傳感器及驅(qū)動(dòng)電路的集成結(jié)構(gòu)。IPM正以其可靠性高、用戶使用方便的特點(diǎn)贏得越來(lái)越大的市場(chǎng),尤其適合制作驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的變頻器,是一種較為理想的電力電子器件。1.1.2 IPM的結(jié)構(gòu)下面介紹小容量變頻器中開(kāi)始采用的IPM。以富士公司R系列IPM為例。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖11所示。由圖11可見(jiàn),這是一種包括制動(dòng)單元在內(nèi)的完整的逆變器,其中包括7個(gè)IGBT和7個(gè)快速功率二極管,IGBT1IGBT6組成逆變橋,VDF1VDF6是與六個(gè)主IGBT反并聯(lián)的回饋二極管,IGBT7是動(dòng)力制動(dòng)用的開(kāi)關(guān)管,VDW是它的續(xù)流二極管。圖中有關(guān)檢測(cè)元件、保護(hù)電路沒(méi)有具體畫出,含在“驅(qū)動(dòng)”框內(nèi)
9、?!膀?qū)動(dòng)”部分具有下述功能:1驅(qū)動(dòng)信號(hào)放大;2短路保護(hù)(SC);3控制電源欠電壓保護(hù)(UV);4IGBT及VDF、VDW過(guò)電流保護(hù)(OC);5IGBT芯片過(guò)熱保護(hù)(TjoH)?!膀?qū)動(dòng)”4、6、2、7及“過(guò)熱保護(hù)電路”經(jīng)由16號(hào)端子ALM輸出報(bào)警信號(hào)。當(dāng)IGBT過(guò)電流、IGBT結(jié)溫過(guò)高、外殼溫度過(guò)高、負(fù)載短路和控制電源欠電壓信號(hào)出現(xiàn)時(shí),ALM報(bào)警信號(hào)輸出,保證整個(gè)系統(tǒng)切實(shí)停止工作。由于控制電源共地處理的限制,ALM信號(hào)由具有共地端的驅(qū)動(dòng)器中取出,即由“驅(qū)動(dòng)”4、6、2及7中取出。當(dāng)有ALM信號(hào)輸出時(shí), IGBT4、6、2及7被封鎖,由于沒(méi)有電流通路, IGBT1、3、5也同樣受到保護(hù)。圖11 I
10、PM的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 1.1.3 R系列的IPM在小容量變頻器中的應(yīng)用舉例圖12是含制動(dòng)單元的R系列的IPM在小容量變頻器中的應(yīng)用電路。使用IPM時(shí)應(yīng)注意以下各項(xiàng):圖12 應(yīng)用電路圖(含制動(dòng)單元)1控制電源必須有4組,且互相絕緣,上橋臂3組,下橋臂及制動(dòng)單元的驅(qū)動(dòng)器公用1組。2四組控制電源與主電源間必須加以絕緣,而且,隨著IGBT的開(kāi)關(guān)動(dòng)作,該絕緣部位將有很大的du/dt作用,因此要確保足夠的距離,推薦大于2mm。3下橋臂控制電源的GND和主電源的GND在IPM內(nèi)部已連接好了,在IPM的外部絕對(duì)不要再連接。如果另外連接,則IPM的下橋臂內(nèi)、外將由于di/dt而產(chǎn)生環(huán)流,容易引起IPM的誤動(dòng)作,甚至
11、有可能破壞IPM的輸入電路。4圖12所示的各控制電源上連接的10F和0 1F的電容并非濾波電容,而是用于從電源到IPM之間布線阻抗的退耦。若需濾波,應(yīng)另加電容。另外,從10F和0 1F的電容到控制電路間的布線阻抗在過(guò)渡過(guò)程中是有波動(dòng)的,應(yīng)使這段到IPM端子的布線盡量短。上述退耦電容應(yīng)有較好的頻率特性,例如用薄膜電容并聯(lián)起來(lái)。5信號(hào)輸入端上拉,控制信號(hào)輸入端用20電阻上拉,而且內(nèi)含制動(dòng)單元的IPM,如果不使用該制動(dòng)單元,也要將信號(hào)輸入端上拉,否則,會(huì)由于du/dt的作用而產(chǎn)生誤動(dòng)作。6主直流電源出口的大電容,可直接接到P、N端子之間。1.2開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)電源是各種電子設(shè)備必不可缺的組成部分,
12、其性能優(yōu)劣對(duì)電子設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)有重要意義。目前常用的直流穩(wěn)壓電源分為線性電源和開(kāi)關(guān)電源兩大類。線性穩(wěn)壓電源又稱為串聯(lián)調(diào)整式穩(wěn)壓電源,其穩(wěn)定性好,輸出紋波電壓很小,但它必須使用笨重的工頻變壓器與電網(wǎng)進(jìn)行隔離,并且調(diào)整管的功率損耗較大,致使電源的體積和重量大,效率低。開(kāi)關(guān)電源SPS(Switching Power Supply)被譽(yù)為高效節(jié)能電源,它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向,現(xiàn)已成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部關(guān)鍵元器件工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)下,本身消耗的能量很低,電源效率可達(dá)80%90%,比普通線性穩(wěn)壓電源提高近一倍。開(kāi)關(guān)電源又稱為無(wú)工頻變壓器的電源,它是利用體積很小的高頻變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓變換及
13、電網(wǎng)隔離的,不僅能去掉笨重的工頻變壓器,還可以采用體積較小的濾波元件和散熱器,這就為研究與開(kāi)發(fā)高效率、高密度、高可靠性、體積小、重量輕的開(kāi)關(guān)電源奠定了基礎(chǔ)。1.2.1 開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展歷史開(kāi)關(guān)電源已有幾十年的發(fā)展歷史。早期產(chǎn)品的開(kāi)關(guān)頻率很低,成本昂貴,僅用于衛(wèi)星電源等少數(shù)領(lǐng)域。20世紀(jì)60年代出現(xiàn)過(guò)晶閘管(舊稱可控硅)相位控制式開(kāi)關(guān)電源,70年代由分立元件制成的各種開(kāi)關(guān)電源,均因效率不夠高、開(kāi)關(guān)頻率低、電路復(fù)雜、調(diào)試?yán)щy而難以推廣。70年代后期以來(lái),隨著集成電路設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的進(jìn)步,各種開(kāi)關(guān)電源專用芯片大量問(wèn)世,這種新型節(jié)能電源才重獲發(fā)展。目前,開(kāi)關(guān)頻率已從20kHz左右提高到幾百千赫至幾兆赫。
14、與此同時(shí),供開(kāi)關(guān)電源使用的元器件也獲得長(zhǎng)足發(fā)展。MOS功率開(kāi)關(guān)管(MOSFET)、肖特基二極管(SBD)、超快恢復(fù)二極管(SRD)、瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)、壓敏電阻器(VSR)、熔斷電阻器(FR)、自恢復(fù)保險(xiǎn)絲(RF)、線性光耦合器、可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器(TL431)、電磁干擾濾波器(EMI Filter)、高導(dǎo)磁率磁性材料、由非晶合金制成的磁珠、三重絕緣線、玻璃珠膠合劑等一大批新器件、新材料正被廣泛采用。所有這些,都為開(kāi)關(guān)電源的推廣與普及提供了必要條件。1.2.2 開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì) 近20多年來(lái),開(kāi)關(guān)電源沿著下述兩個(gè)方向發(fā)展。第一個(gè)方向是對(duì)開(kāi)關(guān)電源的核心單位控制電路實(shí)現(xiàn)集成化。1977年
15、國(guó)外首先研制成功脈沖調(diào)制(PWM)控制器集成電路,美國(guó)摩托羅拉(Motorola)、硅通用(Silicon General)公司等公司相繼推出一批PWM芯片,典型產(chǎn)品有MC3520、SG3524、UC3842。90年代以來(lái),國(guó)外又研制出開(kāi)關(guān)頻率達(dá)1MHz的高速PWM、PFM(脈沖頻率調(diào)制)芯片,典型產(chǎn)品如UC1825、UC1864。第二個(gè)方向則是對(duì)中、小功率開(kāi)關(guān)電源實(shí)現(xiàn)單片集成化。這大致分兩個(gè)階段:80年代初,意法半導(dǎo)體(SGS-Thomson)率先推出L4960系列單片開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。該公司于90年代又推出了L4970A系列。其特點(diǎn)是將脈沖調(diào)制器、功率輸出級(jí)、保護(hù)電路等集成在一個(gè)芯片中,使用時(shí)配
16、工頻變壓器和電網(wǎng)隔離,適于制作低壓連續(xù)可調(diào)式輸出(5140V)、大中功率(400W以下)、大電流(1510A)、高效率(可超過(guò)90)的開(kāi)關(guān)電壓。但從本質(zhì)上講,它仍屬于DC/DC電源變換器。 1994年,美國(guó)電源集成公司(Power Intergration Inc)在世界上首先研制成功的三斷隔離、脈寬調(diào)制型反激式單片開(kāi)關(guān)電源,被人們譽(yù)為“頂級(jí)開(kāi)關(guān)電源”。其第一代產(chǎn)品為TOPSwitch系列(TOP100/TOP200系列),第二代產(chǎn)品則是1997年問(wèn)世的TOPSwitch系列(TOP221TOP227)。該公司于1998年又推出了高效率、小功率、低價(jià)格的四端單片開(kāi)關(guān)電源TinySwitch系列
17、,并于1999年開(kāi)關(guān)出TNY265系列新產(chǎn)品。2000年初,PI公司又研制出TOPSwitchFX系列五端單片開(kāi)關(guān)電源,充分展示出單片開(kāi)關(guān)電源蓬勃發(fā)展的新局面和良好的應(yīng)用前景。目前,單片開(kāi)關(guān)電源已形成具有六大系列、67種型號(hào)的產(chǎn)品。 單片開(kāi)關(guān)電源屬于AC/DC電源變換器。以TOPSwitch系列為例,它內(nèi)部包含控制電壓源、帶隙基準(zhǔn)電壓源、振蕩器、并聯(lián)調(diào)整器/誤差放大器、脈寬調(diào)制器、門驅(qū)動(dòng)級(jí)、高壓功率開(kāi)關(guān)管(MOSFET)、過(guò)流保護(hù)電路、過(guò)熱保護(hù)及上電復(fù)位電路、關(guān)斷/自動(dòng)重啟動(dòng)電路和高壓電流源。芯片的集成度很高,外圍電路簡(jiǎn)單,通過(guò)輸入整流濾波器,適配85265V、47440Hz的交流電,可構(gòu)成世
18、界通用的各種開(kāi)關(guān)電源或電源模塊。它在價(jià)格上完全可以和同等功率的線性穩(wěn)壓電源相競(jìng)爭(zhēng),而電源效率顯著提高,體積和重量則大為減小。單片開(kāi)關(guān)電源的迅速發(fā)展與應(yīng)用,使人們多年來(lái)所追求的高性價(jià)比、無(wú)工頻變壓器式開(kāi)關(guān)電源變成現(xiàn)實(shí)。第二章 三端單片開(kāi)關(guān)電源的原理與應(yīng)用 單片開(kāi)關(guān)電源具有單片集成化、最簡(jiǎn)外圍電路、最佳性能指標(biāo)、無(wú)工頻變壓器、能實(shí)現(xiàn)電氣隔離等顯著特點(diǎn)。美國(guó)PI公司研制的TOPSwitch系列產(chǎn)品一經(jīng)問(wèn)世便顯示出強(qiáng)大的生命力,它極大地簡(jiǎn)化了150W以下開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)和新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)工作,也為新型、高效、低成本開(kāi)關(guān)電源的推廣與普及創(chuàng)造了良好條件。 本章深入闡述開(kāi)關(guān)電源基本原理,三端單片開(kāi)關(guān)電源的產(chǎn)品分類
19、、工作原理及反饋電路類型。2.1 開(kāi)關(guān)電源的基本原理目前生產(chǎn)的開(kāi)關(guān)電源大多采用脈寬調(diào)制方式,少數(shù)采用脈沖頻率調(diào)制或混合調(diào)制方式。下面對(duì)開(kāi)關(guān)電源控制方式及脈寬調(diào)制的基本原理作簡(jiǎn)要介紹。開(kāi)關(guān)電源的控制方式無(wú)工頻變壓器開(kāi)關(guān)電源的控制方式大概有以下三種:(1)脈沖寬度調(diào)制方式,簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制(PWM)。其特點(diǎn)是固定開(kāi)關(guān)頻率,通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)調(diào)節(jié)占空比。其缺點(diǎn)是受功率開(kāi)關(guān)管最小導(dǎo)通時(shí)間的限制,對(duì)輸出電壓不能作寬范圍調(diào)節(jié);另外輸出端一般要接假負(fù)載(亦稱預(yù)負(fù)載),以防空載時(shí)輸出電壓升高。目前,集成開(kāi)關(guān)電源大多采用PWM方式。 (2)脈沖頻率調(diào)制方式,簡(jiǎn)稱脈沖調(diào)制(PFM)。它是將脈沖寬度固定,通過(guò)改變開(kāi)關(guān)頻
20、率來(lái)調(diào)節(jié)占空比的。其穩(wěn)壓原理是:當(dāng)輸出電壓Vo升高時(shí),控制器輸出信號(hào)的脈沖寬度不變而周期變長(zhǎng),使占空比減小,Vo降低。PFM式開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓調(diào)節(jié)范圍很寬,輸出端可不接假負(fù)載。 (3)混合調(diào)制方式,是指脈沖寬度與開(kāi)關(guān)頻率均不固定,彼此都能改變的方式,它屬于PWM和PFM的混合方式。這種調(diào)制方式的占空比調(diào)節(jié)范圍最寬,適合制作供實(shí)驗(yàn)室使用的輸出電壓可以寬范圍調(diào)節(jié)的開(kāi)關(guān)電源。2.1.2 脈寬調(diào)制式開(kāi)關(guān)電源的基本原理 脈沖調(diào)制式開(kāi)關(guān)電源的基本原理圖如圖21所示。交流220V輸入電壓經(jīng)過(guò)整流濾波后變成直流電壓Vi,再由開(kāi)關(guān)管VT(或MOSFET)斬波、高頻變壓器T降壓,得到高頻矩形波電壓,最后通過(guò)輸出
21、整流濾波器VD、C2,獲得所需要的直流輸出電壓VO。脈沖調(diào)制器是這類開(kāi)關(guān)電源的核心,它能產(chǎn)生頻率固定而脈沖寬度可調(diào)的驅(qū)動(dòng)信號(hào),控制功率開(kāi)關(guān)管的通斷狀態(tài),來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓的高低,達(dá)到穩(wěn)壓目的。鋸齒波發(fā)生器提供時(shí)鐘信號(hào)。利用誤差放大器和PWM比較器構(gòu)成閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。假如由于某種原因致使VO,脈沖調(diào)制器就改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖寬度,亦即改變占空比D,使斬波后的平均電壓升高,導(dǎo)致VO。反之亦然。圖21脈沖調(diào)制式開(kāi)關(guān)電源的基本原理圖 2.2 TOPSwitch系列的產(chǎn)品分類及性能特點(diǎn)TOPSwitch與第一代產(chǎn)品相比,它不僅在性能上有進(jìn)一步改進(jìn),而且輸出功率得到顯著提高,現(xiàn)已成為國(guó)際上開(kāi)發(fā)中、小功率開(kāi)關(guān)電源模
22、塊的優(yōu)選集成電路。產(chǎn)品分類按封裝形式,TOPSwitch可劃分為三種類型:采用TO-220封裝的TOP221YTOP227Y型;采用8腳雙列直插式(DIP-8)封裝的TOP221P224P型;采用8腳表面安裝式(SMD-8)封裝的TOP221G224G型。產(chǎn)品分類情況詳見(jiàn)表21。表中,POM表示加合適散熱器后所能獲得的最大連續(xù)輸出功率。對(duì)于TO-220封裝,需在小散熱片上加散熱器,使芯片在正常工作時(shí)的結(jié)溫小于100;對(duì)于DIP-8和SMD-8封裝,可借助印刷板上公共地線區(qū)域的敷銅箔來(lái)代替散熱片,將源極直接焊接在面積為645cm2敷銅箔上。有時(shí)為減少開(kāi)關(guān)電源模塊的體積,還可將凹型鋁散熱板直接粘貼
23、在DIP-8(或SMD-8)封裝的芯片上面,或?qū)⑸岚迮c源極固定在一起,同樣能起到散熱作用。 2.2.2 性能特點(diǎn) TOPSwitch系列產(chǎn)品具有以下顯著特點(diǎn):(1)將脈寬調(diào)制(PWM)控制系統(tǒng)的全部功能集成到三端芯片中。內(nèi)含脈寬調(diào)制器、功率開(kāi)關(guān)場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)、自動(dòng)偏置電路、保護(hù)電路、高壓?jiǎn)?dòng)電路和環(huán)路補(bǔ)償電路,通過(guò)高頻變壓器使輸出端與電網(wǎng)完全隔離,真正實(shí)現(xiàn)了無(wú)工頻變壓器、隔離式開(kāi)關(guān)電源的單片集成化,使用安全可靠。 (2)輸入交流電壓和頻率的范圍極寬。作固定電壓輸入時(shí)可選110V表21 TOPWitch的產(chǎn)品分類及最大輸出功率POMTO-220封裝(Y)DIP-8封裝(P)/SMD-
24、8封裝(G)產(chǎn)品型號(hào)固定電壓輸入:110/115 /230V(AC),15%寬范圍電壓輸入:85265V(AC)產(chǎn)品型號(hào)固定電壓輸入:110/115 /230V(AC),15%寬范圍電壓輸入:85265V(AC)TOP221Y12W7WTOP221P/G9W6WTOP222Y25W15WTOP222P/G15W10WTOP223Y50W30WTOP223P/G25W15WTOP224Y75W45WTOP224P/G30W20WTOP225Y100W60WTOP226Y125W75WTOP227Y150W90W/115V230V交流電,允許變化15;若配85265V寬范圍變化的交流電,最大輸出功
25、率要降低40%。開(kāi)關(guān)電源的輸入頻率范圍是47440Hz。 (3)開(kāi)關(guān)頻率典型值為100KHz,占空比調(diào)節(jié)范圍是17%67%。電源效率為80%左右,最高可達(dá)90%,比線性集成穩(wěn)壓電源提高近一倍。其工作溫度范圍是070芯片最高結(jié)溫Tjm=135。 (4)外圍電路簡(jiǎn)單,成本低廉。外部?jī)H需接整流濾波器、高頻變壓器、初級(jí)保護(hù)電路、反饋電路和輸出電路。采用此類芯片還能降低開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾。(5)只有三個(gè)引出端:控制端C、源極S、漏極D,可同三端線性穩(wěn)壓器相媲美,能以最簡(jiǎn)方式構(gòu)成無(wú)工頻變壓器的反激式開(kāi)關(guān)電源。為完成多種控制、偏置及保護(hù)功能,C、D均屬多功能引出端,實(shí)現(xiàn)了一腳多用。2.3 TOPSwit
26、ch系列單片開(kāi)關(guān)電源的工作原理 TOPSwitch 有三種封裝形式,分別為TO-220、DIP-8、SMD-8,其管腳封裝圖如圖22所示。其中DIP-8可配8腳IC插座,SMD-8則為表面貼片,后者不需打孔焊接。 TOPSwitch的三個(gè)管腳分別為控制端C、源極S、漏極D。其中,控制端有4個(gè)作用:第一,利用控制電流IC的大小來(lái)調(diào)節(jié)占空比D;當(dāng)IC從6mA減到2mA時(shí),D就由17%增至67%,比例系數(shù)即為脈寬調(diào)制增益:第二,它與內(nèi)部并聯(lián)調(diào)整器/誤差放大器相連,能為芯片提供正常工作所需的偏流;第三,該端還為電源支路和自動(dòng)重啟動(dòng)/補(bǔ)償電容的連接點(diǎn),通過(guò)外圖22 TOPSwitch管腳封裝圖 接旁路電
27、容來(lái)決定自動(dòng)重啟動(dòng)的頻率;第四,對(duì)控制回路進(jìn)行補(bǔ)償。控制電壓VC的典型值為57V,極限電壓VCM=9V,控制端最大允許電流ICM=100mA。 漏極D與片內(nèi)功率開(kāi)關(guān)管的漏極連通,漏-源擊穿電壓V(BR)DS700V。源極S則接內(nèi)部功率開(kāi)關(guān)管的源極,還與小散熱片接通(僅對(duì)TO-220封裝而言),作為初級(jí)電路的公共地。對(duì)于DIP-8以及SMD-8封裝,都設(shè)計(jì)了6個(gè)S端,它們?cè)趦?nèi)部是連通的。區(qū)別只是左邊3個(gè)S端作為信號(hào)地接旁路電容的負(fù)極,右邊3個(gè)S端則稱為高壓返回端(HV RTN),即功率地。安裝印刷板時(shí)應(yīng)將它們焊接到地線區(qū)域的不同位置,這樣可避免大電流通過(guò)功率地所形成的壓降對(duì)控制端產(chǎn)生干擾。 TO
28、PSwitch的內(nèi)部框圖如圖23所示。主要包括10個(gè)部分:控制電壓源;帶隙基準(zhǔn)電壓源;振蕩器;并聯(lián)調(diào)整器/誤差放大器;脈寬調(diào)制器;柵極驅(qū)動(dòng)器;過(guò)流保護(hù)電路;過(guò)熱保護(hù)及上電復(fù)位電路;關(guān)斷自動(dòng)重新啟動(dòng)電路;高壓偏流源。圖23 TOPSwitch的內(nèi)部框圖 下面分別介紹各單元電路的工作原理。 1控制電壓源:控制電壓VC給控制器和驅(qū)動(dòng)器供電或提供偏壓。接在CONTROL和SOURCE引腳之間的外部旁路電容CT。,為柵極提供驅(qū)動(dòng)電流,并設(shè)置自動(dòng)恢復(fù)時(shí)間以及控制環(huán)路的補(bǔ)償。在正常工作(輸出電壓穩(wěn)定)時(shí),反饋控制電流給VC供電,并聯(lián)穩(wěn)壓器使VC保持在57V。在啟動(dòng)時(shí),控制(CONTROL)腳的電流由內(nèi)部接在
29、DRAIN和CONTROL腳之間的高壓開(kāi)關(guān)電流源提供。CONTROL腳電容CT放電至閾值電壓以下時(shí),輸出MOSFET截止,控制電路處于備用方式。此時(shí)高壓電流源接通,并再次給電容CT充電。通過(guò)高壓電流源的接通和斷開(kāi),使VC保持在4757 V之間。 2帶隙基準(zhǔn)電壓源:所有TOPSwitch內(nèi)部電壓都取自具有溫度補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)電壓。此基準(zhǔn)電壓也能產(chǎn)生可微調(diào)的溫度補(bǔ)償電流源,用來(lái)精確地調(diào)節(jié)振蕩器的頻率和MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電流。 3振蕩器:內(nèi)部振蕩器通過(guò)內(nèi)部電容線性地充放電,產(chǎn)生脈寬調(diào)制器所需的鋸齒波電壓人了降低EMI并提高電源的效率,振蕩器額定頻率選為 100kHz,精調(diào)電流基準(zhǔn)值可提高振蕩頻率的精
30、度。 4并聯(lián)調(diào)整器/誤差放大器:在電路中,并聯(lián)穩(wěn)壓器完成誤差放大器的功能。并聯(lián)穩(wěn)壓器的電壓精確地取自溫度補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)電壓;誤差放大器的增益則由CONTROL腳的動(dòng)態(tài)阻抗設(shè)定。 5脈寬調(diào)制器:流入CONTROL腳的電流在凡兩端產(chǎn)生的壓降,經(jīng) RC電路濾波后伽到PWM比較器的問(wèn)相輸入端,與振蕩器輸出的鋸齒波電壓比較產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)。該信號(hào)驅(qū)動(dòng)輸出MOSFET實(shí)現(xiàn)電壓型控制。 6柵極驅(qū)動(dòng)器:柵極驅(qū)動(dòng)器以一定速率使輸出MOSFET導(dǎo)通,以減小共模EMI。為了提高精確度,柵極驅(qū)動(dòng)電流還可以進(jìn)工微調(diào)逐周限流。逐周巳流電路用輸出 MOSFET的導(dǎo)通電阻作為取樣電阻,限流比較器MOSFET導(dǎo)通時(shí)的漏源電壓VD
31、S(ON)與閾值電壓進(jìn)行比較。漏極電流過(guò)大時(shí)漏源電壓VDS(ON)超過(guò)閾值電壓,輸出MOSFET關(guān)斷,直到下一個(gè)周期輸出MOSFET才能導(dǎo)通。 7過(guò)流保護(hù)電路:過(guò)流比較器的反相輸入端接極限電壓(又稱閥值電壓)VLIMIT,同相輸入端接MOSFET的漏極。這里巧妙地利用MOSFET的漏-源導(dǎo)通電阻RDS(ON)來(lái)代替外部過(guò)流檢測(cè)電阻RS。當(dāng)ID過(guò)大時(shí),VDS(ON)VLIMIT,過(guò)流比較器翻轉(zhuǎn),輸出變成高電平,經(jīng)過(guò)Y2、H,將觸發(fā)器置零,進(jìn)而使MOSFET關(guān)斷,起到過(guò)流保護(hù)作用。 8過(guò)熱保護(hù)電路:當(dāng)結(jié)溫超過(guò)熱關(guān)斷溫度(135)時(shí)模擬電路將關(guān)斷輸出MOSFET。9 關(guān)斷自動(dòng)重新啟動(dòng)電路:為了減少T
32、OPSwitch的功耗,當(dāng)超過(guò)調(diào)整狀態(tài)時(shí)犬?dāng)嘧詣?dòng)重新啟動(dòng)電路將以5的占空比接通和關(guān)斷電源。 10高壓偏流源:在啟動(dòng)期間該電流源從漏極腳偏置 TOPSWitch,并對(duì) CONTROL腳的外接電容CT充電。2.4 單片開(kāi)關(guān)電源的基本原理及反饋電路類型 下面介紹單片開(kāi)關(guān)電源的基本工作原理及反饋電路的四種基本類型。單片開(kāi)關(guān)電源的基本原理TOPSwitch系列單片開(kāi)關(guān)電源的典型應(yīng)用如圖24所示。高頻變壓器在電路中具備能量?jī)?chǔ)存、隔離輸出和電壓變換這三大功能。該電路屬于單端反激式開(kāi)關(guān)電源。所謂單端是指TOPSwitch只有一個(gè)脈寬調(diào)制信號(hào)功率輸出端漏極D。反激式則是指當(dāng)TOPSwitch導(dǎo)通時(shí),電能就以磁場(chǎng)
33、能量形式儲(chǔ)存在初級(jí)繞組中;當(dāng)TOPSwitch截止時(shí),能量傳輸給次級(jí)。由于開(kāi)關(guān)頻率高達(dá)100kHz,使得高頻變壓器能夠快速儲(chǔ)存、釋放能量,經(jīng)高頻整流濾波后即可獲得連續(xù)輸出。圖中,BR為整流橋,C1為輸入端濾波電容。交流電壓u經(jīng)過(guò)整流濾波后得到直流高壓V1,經(jīng)初級(jí)繞組加至TOPSwitch的漏極上。由于在TOPSwitch關(guān)斷時(shí)刻,高頻變壓器漏感產(chǎn)生的尖峰電壓會(huì)疊加在直流高壓VI和感應(yīng)電壓VOR上,可使功率開(kāi)關(guān)管的漏極電壓超過(guò)700V而損壞芯片;為此在初級(jí)繞組兩端必須增加漏極鉗位保護(hù)電路。鉗位電路由瞬態(tài)電壓抑制器(VR1)、快恢復(fù)二極管D1組成。D2為次級(jí)整流管,C2為輸出端濾波電容。該電路采用
34、配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路。反饋繞組電壓經(jīng)過(guò)D3、C3整流濾波后獲得反饋電壓VFB,經(jīng)光耦合器中的光敏三極管給TOPSwitch的VOD2控制端提供偏壓。C4是控制端C的旁路電容。設(shè)穩(wěn)壓管VR2的穩(wěn)壓電壓VR1D1C3C4LEDR1D3C2VR2RTNTC1BRC1圖24 單片開(kāi)關(guān)電源典型應(yīng)用電路為VZ,限流電阻R1兩端的壓降為VR,光耦合器中LED發(fā)光二極管的正向壓降為VF,輸出電壓VO由下式設(shè)定:VO=VZ+VF+VR (21) 該電源的穩(wěn)壓原理簡(jiǎn)述如下:當(dāng)由于某種原因(如交流電壓升高或負(fù)載變輕)致使VO升高時(shí),因VZ不變,故VF就隨之升高,使LED的工作電流IF 增大,再通過(guò)光耦合器使TOP
35、Switch的控制端電流IC增大。但因TOPSwitch的輸出占空比D與IC成反比,故D減小,這就迫使VO降低,達(dá)到穩(wěn)壓目的。反之,同理也可達(dá)到穩(wěn)壓目的。由此可見(jiàn),反饋電路正是通過(guò)調(diào)節(jié)TOPSwitch的占空比,使輸出電壓趨于穩(wěn)定的。 2.4.2 反饋電路的四種基本類型 單片開(kāi)關(guān)電源的電路可以千變?nèi)f化,但其反饋電路只有四種基本類型:基本反饋電路;改進(jìn)型基本反饋電路;配穩(wěn)壓管的光耦反饋電;配TL431的精密光耦反饋電路。它們的簡(jiǎn)化電路如圖15(a)(d)所示。圖25 反饋電路的四種類型(1)基本反饋電路是利用反饋繞組間接獲取輸出電壓的變化信號(hào),因此不需要使用光耦合器。該方案的電路最為簡(jiǎn)單,但開(kāi)關(guān)
36、電源的穩(wěn)定性不高,難于把負(fù)載調(diào)整率SI降至5以下。若僅為改善輕載時(shí)的負(fù)載調(diào)整率,可在輸出端并聯(lián)一只合適的穩(wěn)壓管,使其穩(wěn)定電壓UZ=UO,此時(shí)輕載下的SIUimin時(shí)K1,即POPO,這表明原來(lái)選中的芯片此時(shí)已具有更大的可用功率,必要時(shí)可選輸出功率略低的芯片。(3)設(shè)初級(jí)電壓為UOR,其典型值為135V。但在Uimin85V時(shí),受TOPSwitchII調(diào)節(jié)占空比能力的限制,UOR會(huì)按線性規(guī)律降低UOR。此時(shí)折算系數(shù)K=UOR/UOR1。圖35和圖36中的虛線表示UOR/UOR與Uimin的特性曲線,利用它可以修正初級(jí)感應(yīng)電壓值。 現(xiàn)將對(duì)輸出功率進(jìn)行修正的工作程序歸納如下: (1)首先從圖35、圖
37、36中選擇適用的特性曲線,然后根據(jù)已知的Uimin值查出折算系數(shù)K。(2)將PO折算成Uimin為規(guī)定值時(shí)的等效功率PO,有公式 PO=PO/K (32) (3)最后從圖31圖34中選取適用的關(guān)系曲線,并根據(jù)PO值查出合適的芯片型號(hào)以及、PD參數(shù)值。下面通過(guò)一個(gè)典型的實(shí)例來(lái)說(shuō)明修正方法。例:設(shè)計(jì)12V,35W的通用開(kāi)關(guān)電源已知Uimin=85V,假定Uimin=90115V=1035V。從圖35中查出K=115。將PO=35W、K=115一并代入式(2)中,計(jì)算出PO=304W。再根據(jù)PO值,從圖32上查出最佳選擇應(yīng)是TOP224型芯片,此時(shí)=816,PD=2W。若選TOP223,則降至735
38、,PD增加到5W,顯然不合適。倘若選TOP225型,就會(huì)造成資源浪費(fèi),因?yàn)樗萒OP224的價(jià)格要高一些,且適合輸出40W60W的更大功率。2 相關(guān)參數(shù)的修正及選擇(1)修正初級(jí)電感量 在使用TOPSwitchII系列設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源時(shí),高頻變壓器以及相關(guān)元件參數(shù)的典型情況見(jiàn)表31,這些數(shù)值可做為初選值。當(dāng)UiminUimin時(shí),由于電源效率和功率損耗均發(fā)生了變化,因此還需要對(duì)初級(jí)電感量LP進(jìn)行修正。有公式:LP=KLP (33)表31 高頻變壓器及其相關(guān)元件參數(shù)的典型值參 數(shù)TOP221TOP222TOP223TOP224TOP225TOP226TOP227高頻變壓器初級(jí)電感LP(H)86504
39、40022001475110088015高頻變壓器初級(jí)泄漏電感 LPO(H)175904530221815次級(jí)開(kāi)路時(shí)高頻變壓的諧振頻率fo(kHz)400450500550600650700初級(jí)級(jí)圈電阻RP(m)50001800650350250175140次級(jí)級(jí)圈電阻Rs(m)2012754353輸出濾波電感的直流電阻RL1(m)40322520161310共模扼流圈的直流電阻RL2(m)400370333300267233200查表31可知,使用TOP224時(shí),LP=1475H。當(dāng)K=115時(shí),LP=1151475=1696H。表32 光耦合器參數(shù)隨Uimin的變化最低交流輸入電壓Uimi
40、n(V)85195LED的工作電流IF(mA)3550光敏三極管的發(fā)射極電流IE(mA)3550 (2)對(duì)其他參數(shù)的影響當(dāng)Uimin的規(guī)定值發(fā)生變化時(shí),TOPSwitchII的占空比亦隨之改變,進(jìn)而影響光耦合器中的LED工作電流IF、光敏三極管發(fā)射極電流IE也產(chǎn)生變化。此時(shí)應(yīng)根據(jù)表32對(duì)IF、IE進(jìn)行重新調(diào)整。TOPSwitchII獨(dú)立于Ui、PO的電源參數(shù)值,見(jiàn)表33。這些參數(shù)一般不受Uimin變化的影響。表33 獨(dú)立于Ui、PO的電源參數(shù)值獨(dú)立參數(shù)典型值開(kāi)關(guān)頻率f(kHz)100輸入保護(hù)電路的箝位電壓UB(V)200輸出級(jí)肖特基整流二極管的正向壓降UF(V)04初始偏置電壓UFB(V)16
41、 (3)輸入濾波電容的選擇輸入濾波電容器C1的容量與電源效率、輸出功率密切相關(guān)。對(duì)于寬范圍輸入的開(kāi)關(guān)電源,C1的容量取F作單位時(shí),可按比例系數(shù)3F/W,例如,當(dāng)PO=30W時(shí),C1=(3F/W)30W=90F,以此類推。在固定輸入時(shí),比例系數(shù)變成1F/W,上例中的C1就變?cè)?0F。在設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源時(shí)還需注意C1的容量誤差要盡量小,以免影響開(kāi)關(guān)電源的性能。當(dāng)C1的容量太小時(shí),會(huì)降低TOPSwitchII的可用功率。上例中,若將寬范圍輸入時(shí)的C1容量由30F改成20F,則輸出功率會(huì)降低15;當(dāng)C120F時(shí),會(huì)造成可用功率更顯著地下降。此外,C1的容量大小還決定著直流高壓VI的數(shù)值。圖3.1與圖3.2
42、實(shí)際上是在VI=105V情況下繪制的,而圖3.3和圖3.4是在VI=265V情況下獲得的。這充分體現(xiàn)了C1對(duì)VI的影響。3.2 高頻變壓器的設(shè)計(jì) 高頻變壓器的設(shè)計(jì)是研制單片開(kāi)關(guān)電源的關(guān)鍵技術(shù)。下面將通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)75V、15W開(kāi)關(guān)電源來(lái)詳細(xì)闡述高頻變壓器的設(shè)計(jì)方法。磁芯、骨架的選擇小型化、塑料盒密封式開(kāi)關(guān)電源模塊可選低成本的EE或EI條形)型磁芯。當(dāng)PO=15W時(shí),若用常規(guī)漆包線饒制,可選EE22型磁芯,型號(hào)中的數(shù)字表示磁芯長(zhǎng)度A=22mm。EE型磁芯的價(jià)格低廉,磁損耗低且適應(yīng)性強(qiáng)。若采用三重漆包線,則選EE20或EF20型磁芯。一旦選好磁芯,骨架的尺寸也就確定下來(lái)了。從廠家提供的磁芯產(chǎn)品手冊(cè)中
43、還可出查出SJ、l、AL、b等參數(shù)值。先選擇EE22型磁芯,由手冊(cè)中查出SJ=041cm2,l=396cm,AL=24H/匝2,b=843mm。3.2.2 確定高頻變壓器的主要參數(shù) (1)計(jì)算次級(jí)匝數(shù)NS 對(duì)于100V/115V交流輸入,次級(jí)繞組可取1匝/V;對(duì)于230V交流或?qū)挿秶斎霊?yīng)取06匝/V。先已知u=85265V,VO=75V,考慮到在次級(jí)肖特基整流二極管上還有04V的正向?qū)▔航礦F1,因此次級(jí)匝數(shù)為(VO+VF1)06匝/V=(75V+04V)06匝/V=474匝。由于次級(jí)繞組上還存在導(dǎo)線電阻,也會(huì)形成壓降,實(shí)取NS=5匝。 (2)計(jì)算初級(jí)匝數(shù)NP(34) 初級(jí)線圈感應(yīng)電壓VO
44、R=85V,VO=75V,VF1=04V,再與NS=5匝代入上式中可算出,NP=538匝。實(shí)取54匝。 (3)計(jì)算反饋繞組匝數(shù)NF (35) 將NS=5匝,VFB=104V,VF2=07V,VO=75V,VF1=04V代入上式中可算出,NF=703匝。實(shí)取7匝。3.2.3 高頻變壓器的饒制技術(shù) (1)初級(jí)繞組必須饒?jiān)谧罾飳?。其?yōu)點(diǎn)之一是能縮短每匝導(dǎo)線的長(zhǎng)度,減小初級(jí)繞組的分布電容;優(yōu)點(diǎn)之二是初級(jí)繞組能被其他繞組所屏蔽,可降低初級(jí)繞組至相鄰元件的電噪聲。另外,初級(jí)繞組的起始端應(yīng)接到TOPSWitch的漏極端,利用初級(jí)繞組的其余部分和其他繞組將它屏蔽,減小從初級(jí)耦合到其他地方的電磁干擾。初級(jí)繞組必
45、須設(shè)計(jì)成兩層或兩層以下,才能把初級(jí)分布電容和漏感降至最低。在初級(jí)各層之間加一絕緣層,能將分布電容減小到原來(lái)的1/4左右。 (2)反饋繞組的最佳位置取決于開(kāi)關(guān)電源采用初級(jí)調(diào)整方案還是次級(jí)調(diào)整方案。采用前者時(shí)應(yīng)將反饋繞組置于初、次級(jí)繞組之間,這樣能對(duì)初級(jí)回路元件上的電磁干擾起到屏蔽作用。選擇次級(jí)調(diào)整方案,需把反饋繞組饒?jiān)谧钔鈱?,此時(shí)反饋繞組與次級(jí)繞組的耦合最強(qiáng),對(duì)輸出電壓的變化反應(yīng)得更靈敏,能提高調(diào)整度;另外還能減小反饋繞組與初級(jí)繞組的耦合程度以及反饋輸出的峰值充電效應(yīng),也有助于提高穩(wěn)壓性能。兩種方案各具特點(diǎn),可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。 (3)饒制多路輸出的次級(jí)繞組時(shí),輸出功率最大的次級(jí)繞組應(yīng)靠近初
46、級(jí),以減小漏感。如次級(jí)匝數(shù)較少,每匝之間可適當(dāng)留出間隙,使繞組能充滿整個(gè)骨架。更好的解決辦法是采用多股并饒的辦法。 (4)屏蔽層的設(shè)計(jì)。在初、次級(jí)之間增加屏蔽層,可減小初、次級(jí)之間共模干擾的容性耦合,最經(jīng)濟(jì)的屏蔽法是在初、次級(jí)之間專饒一層漆包線,一端接VI(或VD);另一端懸空并且用絕緣帶絕緣,置于高頻變壓器內(nèi)部而不引出來(lái)。 為防止高頻變壓器泄露磁場(chǎng)對(duì)相鄰電路造成干擾,可把一銅片環(huán)繞在變壓器外部,構(gòu)成屏蔽帶。屏蔽帶應(yīng)與VD端連通。3.3 多路輸出式單片開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)許多家電產(chǎn)品(如電視機(jī)、機(jī)頂盒解碼器、錄像機(jī))都需要由多路穩(wěn)壓電源來(lái)供電。在電子儀器、自控裝置中也要給各種模擬與數(shù)字電路提供多路電
47、源。利用單片開(kāi)關(guān)電源可實(shí)現(xiàn)多路電壓輸出。下面通過(guò)一個(gè)典型實(shí)例來(lái)詳細(xì)介紹多路輸出式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)。3.3.1 電路設(shè)計(jì)方案 1確定多路輸出的技術(shù)指標(biāo)由于IPM需要四組互相絕緣的控制電源,根據(jù)IPM對(duì)控制電源電壓、功率的要求,設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源具有四路輸出:主輸出VO1(15V, 600mA, 9W),輔助輸出為VO2(15V,600mA,9W),UO3(同VO2),VO4(同VO2)??傒敵龉β蕿?6W。技術(shù)指標(biāo)詳見(jiàn)表34。表34多路輸出的技術(shù)指標(biāo)主輸出輔助輸出總輸出功率PO第1路第2、3、4路VO1IO1PO1VO2IO2PO2+15V(10%)600mA9W+15V(10%)600mA9W36W
48、 各路輸出的穩(wěn)壓性能對(duì)電路結(jié)構(gòu)和高頻變壓器的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。通常,主輸出的穩(wěn)定性要高于輔助輸出。 2確定反饋電路 前面提到過(guò),反饋電路有四種類型。根據(jù)表1的輸出技術(shù)指標(biāo),可選擇配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路,如圖37所示。圖37配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路 3 芯片型號(hào)的選取根據(jù)電路的技術(shù)指標(biāo),VO=15V,PO=36W, 按照31中介紹的方法,近似查圖32,首先在橫坐標(biāo)上找到PO=36W的輸出功率點(diǎn),然后垂直上移與TOP224的實(shí)線相交于一點(diǎn),由縱坐標(biāo)查出該點(diǎn)的為75左右,最后從經(jīng)過(guò)該點(diǎn)的那條等值線上查得PD=4W。這表明,選擇TOP224就能輸出36W功率,并且預(yù)期的電源效率為75,芯片功耗則為4W。因此
49、,可以選擇TOP224Y為電路芯片。根據(jù)所得到的PD值,進(jìn)而完成散熱器選擇。 4設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源電路 根據(jù)上述原則設(shè)計(jì)的多路輸出式開(kāi)關(guān)電源的電路,如圖38所示。該電路采用一片TOP224Y型三端單片開(kāi)關(guān)電源,交流輸入電壓范圍是85V265VAC。高頻變壓器的次級(jí)繞組有4個(gè)獨(dú)立繞組,但僅在主輸出端設(shè)計(jì)了帶穩(wěn)壓管的光耦反饋電路。圖38多路輸出式開(kāi)關(guān)電源電路多路輸出式開(kāi)關(guān)電源有兩種工作方式:(1)不連續(xù)模式(DCM),其優(yōu)點(diǎn)是在同等輸出功率的情況下,高頻變壓器能使用尺寸較小的磁芯;(2)連續(xù)模式(CCM),其優(yōu)點(diǎn)是能提高TOPSwitch的利用率。多路輸出式開(kāi)關(guān)電源一般選擇連續(xù)方式,因高頻變壓器尺寸不再
50、是重要問(wèn)題,此時(shí)需關(guān)注的是多個(gè)次級(jí)繞組如何與印制電路實(shí)現(xiàn)最佳配合。對(duì)交流進(jìn)線端接入的電磁干擾,可做相關(guān)處理如圖38所示。電磁干擾濾波器(EMI filter)由共模扼流圈L3和C9C11、C12和R12構(gòu)成。C10與C11的中點(diǎn)應(yīng)接通大地G。L3與C10、C11用來(lái)抑制共模干擾,C9和C12專門濾除串模干擾。因C9的容量較大(047F),在其上并聯(lián)電阻R12,在斷電后C9經(jīng)R12進(jìn)行放電,可避免電源進(jìn)線端L、N上帶電。3.3.2 多路輸出式高頻變壓器的設(shè)計(jì)高頻變壓器采用EE29型鐵氧體磁芯,其有效磁通面積SJ=076cm2。留出的磁芯氣隙寬度=038mm。骨架有效寬度為26mm。初級(jí)繞組采用0
51、3mm漆包線,反饋繞組用03mm漆包線,次級(jí)線圈用055mm漆包線。對(duì)于230V交流或?qū)挿秶斎霊?yīng)取06匝/V。次級(jí)線圈若取06匝/V,VO=15V,考慮到在次級(jí)肖特基整流二極管上還有04V的正向?qū)▔航礦F1,因此次級(jí)匝數(shù)為(VO+VF1)06匝/V=(15V+04V)06匝/V=9.24匝。由于次級(jí)繞組上還存在導(dǎo)線電阻,也會(huì)形成壓降,實(shí)取NS=11匝。 計(jì)算初級(jí)匝數(shù)NP(36) 初級(jí)線圈感應(yīng)電壓VOR=105V,VO=15V,VF1=04V,再與NS=11匝代入上式中可算出,NP=75匝。實(shí)取77匝。 計(jì)算反饋繞組匝數(shù)NF (37) 將NS=11匝,VFB=104V,VF2=07V,VO=
52、15V,VF1=04V代入上式中可算出,NF=7.9匝。實(shí)取9匝。次級(jí)繞組有兩種繞制方法,一種是分離式繞法,另一個(gè)堆疊式繞法。表35次級(jí)繞組兩種繞法的比較繞制方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)分離式繞法排列具有靈活性,可將輸出電流較大的某一路輸出靠近初級(jí),能把漏感引起的能量損失減至最小。因漏感較大,在輸出濾波電容上會(huì)產(chǎn)生峰值充電效應(yīng),導(dǎo)致輕載下的負(fù)載調(diào)整率變差。制造成本較高。骨架上的引腳較多(共6個(gè))。堆疊式繞法1能加強(qiáng)磁耦合。2能改善輕載時(shí)的穩(wěn)壓性能。3骨架上的引腳較少(僅4個(gè))。4制造成本低。電壓最低(或最高)的繞組須靠近初級(jí)。為降低大電流時(shí)的漏感缺乏靈活性。本設(shè)計(jì)采用分離式繞法。次級(jí)繞組可用055mm漆包線饒
53、11匝。 在選取輸出整流管的參數(shù)時(shí),應(yīng)遵循以下原則:管子的額定工作電流(IF)至少為該路最大輸出電流的3倍;管子的最高反向工作電壓(URM)必須高于最低耐壓值(UR)。3.4 TOPSwitch的使用注意事項(xiàng) 使用TOPSwitch系列單片開(kāi)關(guān)電源時(shí)需注意以下事項(xiàng):交流輸入電壓 TOPSwitch可在85265V交流輸入電壓下正常工作。交流電壓最高不得超過(guò)265V(有效值),但可低于85V。實(shí)際上即使交流輸入電壓低至36V以下,TOPSwitch仍能維持工作,只是效率會(huì)降低,自動(dòng)重啟動(dòng)周期會(huì)延長(zhǎng),無(wú)法達(dá)到所規(guī)定的最大輸出功率值。最小負(fù)載 單片開(kāi)關(guān)電源在空載或輕載時(shí)應(yīng)在輸出端接一個(gè)最小負(fù)載,使輸
54、出電壓保持穩(wěn)定。另外在使用TOPSwitch時(shí),源極引腳和引線要盡量短。與TOPSwitch的代換問(wèn)題 TOPSwitch第一代產(chǎn)品與TOPSwitch的電路原理完全相同,僅部分技術(shù)指標(biāo)不同。主要表現(xiàn)為以下參數(shù)存在差異:u、V(BR)DS、POM。原則上可用TOPSwitch直接代換TOPSwitch,但須檢查高頻變壓器、漏極保護(hù)電路、次級(jí)高頻整流管的技術(shù)指標(biāo)是否符合要求。舉例說(shuō)明,TOP104Y為第一代TOPSwitch產(chǎn)品,u=85132V,V(BR)DS350V,POM=60W。而TOPSwitch系列中的相近型號(hào)為TOP224Y,其u=85265V,V(BR)DS700V,POM=75
55、W。顯然,可用TOP224Y直接代替TOP104Y,反之則不行。漏極保護(hù)電路 每當(dāng)功率MOSFET由導(dǎo)通變成截止時(shí),在開(kāi)關(guān)電源的初級(jí)上就會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓和感應(yīng)電壓。其中的尖峰電壓是由于高頻變壓器存在漏感(即漏磁產(chǎn)生的自感)而形成的,它與直流高壓VI和感應(yīng)電壓VOR疊加后很容易損壞MOSFET。為此,必須增加漏極保護(hù)電路,對(duì)尖峰電壓進(jìn)行鉗位或者吸收。 漏極保護(hù)電路大致有以下四種設(shè)計(jì)方案: (1)利用瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)和超快恢復(fù)二極管(SRD)組成TVS、SRD型鉗位電路(參見(jiàn)圖24)。 (2)利用阻容元件和超快恢復(fù)二極管組成的R、C、SRD型鉗位電路。 (3)由阻容元件構(gòu)成的RC吸收回路。
56、(4)由幾只高壓穩(wěn)壓管串聯(lián)而成的鉗位電路,專門對(duì)漏-源電壓VDS進(jìn)行鉗位。 上述方案中以(1)的保護(hù)效果最佳,能充分發(fā)揮TVS響應(yīng)速度快、可承受瞬態(tài)高能量脈沖之優(yōu)點(diǎn)。方案(2)次之。當(dāng)單片開(kāi)關(guān)電源的輸出功率為50150W時(shí),在電路中可同時(shí)采用方案(2)和(4),或采用方案(1)和(3),均可起到雙重保護(hù)功能。鑒于壓敏電阻器(VSR)的標(biāo)稱擊穿電壓值(V1mA)離散性較大,響應(yīng)速度也比TVS慢的多,在單片開(kāi)關(guān)電源中一般不用它構(gòu)成漏極鉗位保護(hù)電路。 電磁干擾濾波器 為了抑制從電網(wǎng)引入的電磁干擾(EMI),同時(shí)也防止開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的噪聲經(jīng)電源線向外傳輸,須在單片開(kāi)關(guān)電源的交流輸入端接入電磁干擾濾波器(
57、EMI filter)。由于TOPSwitch產(chǎn)生的電磁干擾較小,因此可簡(jiǎn)化電磁干擾濾波器的結(jié)構(gòu),降低成本。簡(jiǎn)單的電磁干擾濾波器僅用一只電容和一只共模扼流圈,較復(fù)雜的則需要使用四只電容配共模扼流圈(參見(jiàn)圖28)。 光耦反饋電路分析 光耦反饋電路實(shí)際上由兩部分構(gòu)成:由反饋繞組NF、高頻整流濾波器構(gòu)成的非隔離式反饋電路,反饋電壓VFB為光敏三極管提供偏壓;由取樣電路、外部誤差放大器、光耦合器構(gòu)成的隔離反饋電路,它將VO的變化量直接轉(zhuǎn)換成控制電流IC。其中,VFB基本不受交流輸入電壓u變化的影響,而IC則與VO變化有關(guān)。僅當(dāng)u寬范圍變化而負(fù)載穩(wěn)定時(shí)IC才與u變化有關(guān)。 光耦合器設(shè)計(jì)單片精密開(kāi)關(guān)電源時(shí)
58、應(yīng)選擇電流傳輸比CTR=50%200%的線性光耦合器。 電流傳輸比(CRT)是光耦合器的重要參數(shù)。它表示光耦合器中光敏三極管(接受管)的輸出電流IC與發(fā)光二極管(發(fā)射管)的輸入正向電流IF之比,通常用百分?jǐn)?shù)表示。有公式CRT=(IC/IF)100%對(duì)線性光耦合器而言,起CRT值應(yīng)能在一定范圍內(nèi)控制為常數(shù),使其輸出電流與輸入電流之間呈線性關(guān)系。為降低光耦合器的功耗且避免出現(xiàn)誤觸發(fā)現(xiàn)象,CRT值應(yīng)在50%200%范圍之內(nèi)。另外,還必須采用線性光耦合器。 外部誤差放大器的原理分析 設(shè)計(jì)時(shí)使用TL431型可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器構(gòu)成外部誤差放大器。該誤差放大器極為特殊,它不同于普通的誤差放大器,并且只有一
59、個(gè)輸入控制端。當(dāng)輸出電壓發(fā)生波動(dòng)且變化量為UO時(shí),通過(guò)取樣電阻分壓之后,就使TL431的輸出電壓VK也產(chǎn)生響應(yīng)的變化量,進(jìn)而使LED的工作電流IF改變,最后通過(guò)控制端電流IC的變化量來(lái)調(diào)節(jié)占空比D,使VO產(chǎn)生響應(yīng)的變化,從而抵消了VO的波動(dòng)。上述穩(wěn)壓過(guò)程亦可歸納成VOVKIFICDVO 最終使VO不變因此,TL341就起到了外部誤差放大器的作用。電阻R1的作用這里講的電阻R1是指光耦合器中LED的外部限流電阻。實(shí)際上除限流保護(hù)作用外,它對(duì)控制環(huán)路的增益也具有重要影響。這是因?yàn)槿舾淖僐1的阻值,即可依次影響到下列參數(shù)值:IFICDVO,也就相當(dāng)于改變了控制環(huán)路的直流放大倍數(shù)。 另外,在介紹應(yīng)用電
60、路時(shí)曾提到R1上的壓降很小,通??梢圆挥杩紤]。這同樣可加以證明。TOPSwitch的控制端電流很小,通常IC=24mA,現(xiàn)假定為2mA。若光耦合器電流傳輸比CTR取200%,R1=470,則IF=IC/CTR=2mA/200%=1mA,VR1=IFR1=470mV12V。因此,R1上的壓降完全可以忽略不計(jì)。磁珠單片開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率較高(100kHz左右),在輸出整流管VD2關(guān)斷后的反向恢復(fù)過(guò)程中,會(huì)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)噪聲,容易損壞整流管。雖然VD2兩端并上阻容元件串聯(lián)而成的RC吸收電路,能對(duì)開(kāi)關(guān)噪聲起到一定的抑制作用,但效果仍不理想,況且在電阻上還會(huì)造成功率損耗。解決的辦法是在次級(jí)整流濾波器上串聯(lián)一只
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