一種基于TOP256Y的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯一種基于TOP256Y的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)-設(shè)計(jì)應(yīng)用摘要：介紹了一種基于集成式開(kāi)關(guān)電源芯片TOP256Y的反激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源控制系統(tǒng)，就可以通過(guò)開(kāi)關(guān)電源的PWM（脈沖寬度調(diào)制器）迅速調(diào)整脈沖占空比，從而在每一個(gè)周期內(nèi)對(duì)前一個(gè)周期的輸出電壓和初級(jí)線圈充磁峰值電流進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。

集成式開(kāi)關(guān)電源,是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開(kāi)關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。開(kāi)關(guān)電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長(zhǎng)，但二者增長(zhǎng)速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上，反而高于開(kāi)關(guān)電源，這一點(diǎn)稱(chēng)為成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開(kāi)關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新,由于具有單片集成化、簡(jiǎn)外電路、性能指標(biāo)、無(wú)工頻變壓器、能完全實(shí)現(xiàn)電氣隔離等顯著特點(diǎn)，顯示出強(qiáng)大的生命力，是開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展方向。目前，它已成為國(guó)際上開(kāi)發(fā)300W以下高效率中、小功率開(kāi)關(guān)電源、精密開(kāi)關(guān)電源、特種開(kāi)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(guó)PI公司生產(chǎn)的TOP256Y型（TOPSwitch-HX系列）單片開(kāi)關(guān)電源構(gòu)成的24V/50W高頻開(kāi)關(guān)電源模塊。該開(kāi)關(guān)電源模塊可應(yīng)用于直流無(wú)刷電機(jī)、儀器儀表等控制供電電源。

激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源控制系統(tǒng)電路的特點(diǎn)是：在輸入電壓和負(fù)載電流變化較大時(shí)，具有更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，自動(dòng)限制負(fù)載電流，補(bǔ)償電路簡(jiǎn)單。分析了TOP256Y的特性和工作原理，設(shè)計(jì)了一款功率50W、輸出+24V的開(kāi)關(guān)電源，并對(duì)系統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源實(shí)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(jì)算、器件的選取與電路設(shè)計(jì)。，對(duì)該電源進(jìn)行了整體性能分析。實(shí)驗(yàn)證明：該開(kāi)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(diǎn)。

1TOP256Y的主要性能特點(diǎn)和工作原理

1.1性能特點(diǎn)

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(gè)700V的功率MOSFET、高壓開(kāi)關(guān)電流源、PWM控制器（FAN6920MR是飛兆半導(dǎo)體集成式臨界導(dǎo)通模式PFC和準(zhǔn)諧振電流模式PWM控制器產(chǎn)品系列中的成員。這些器件系列集成有多種功能，具有更高的性能，并可提供全面的保護(hù)功能，同時(shí)能夠減少元件數(shù)目，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和降低材料成本，幫助工程師實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)創(chuàng)新）、振蕩器（產(chǎn)生周期性的量的有源器件。該量的基頻取決于本器件的特性。）、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(gè)單片器件內(nèi)。外圍電路簡(jiǎn)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，可達(dá)90%。TOPSwitch-HX系列芯片使用了頻率、電壓監(jiān)測(cè)和外部流限3個(gè)引腳，以實(shí)現(xiàn)一些新的功能。將如上引腳與源極引腳連接時(shí)，TOPSwitch-HX以類(lèi)似TOPSwitch的三端模式工作。然而，在此種模式下，TOPSwitch-HX仍能實(shí)現(xiàn)如下多項(xiàng)功能而無(wú)需其他外圍元件：

（1）完全集成的17ms軟啟動(dòng)，通過(guò)從低到高掃描限流點(diǎn)和頻率以限制啟動(dòng)時(shí)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(guò)沖。

（2）占空比（DCMAX）可達(dá)78%，允許使用更小的輸入存儲(chǔ)電容，所需輸入電壓更低或具備更大輸出功率能力。

（3）采用132kHz的開(kāi)關(guān)工作頻率，可以減小變壓器器和電源的尺寸，并對(duì)EMI沒(méi)有顯著影響。

（4）輸入欠壓（UV）檢測(cè)可以防止關(guān)機(jī)時(shí)輸出的不良波動(dòng)，輸入過(guò)壓（OV）關(guān)斷電路提高了對(duì)輸入浪涌的耐受力。

（5）采用多模式工作，可以?xún)?yōu)化和提高整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)的電源效率，同時(shí)保持多路輸出電源中良好的交叉穩(wěn)壓精度。

（6）遲滯過(guò)熱關(guān)斷功能確保器件在發(fā)生熱故障時(shí)自動(dòng)恢復(fù)。滯后時(shí)間較長(zhǎng)可防止電路板過(guò)熱。

（7）降低自動(dòng)重啟占空比和頻率可以增強(qiáng)在開(kāi)環(huán)故障、短路或電壓失調(diào)狀況下對(duì)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(diǎn)。在正常工作期間，分路穩(wěn)壓器用來(lái)將反饋信號(hào)從供電電流中分離出來(lái)?？刂埔_電壓VC是控制電路（包括MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)在內(nèi)）的供電電壓。

（2）脈寬調(diào)制器

脈寬調(diào)制器通過(guò)驅(qū)動(dòng)輸出MOSFET來(lái)實(shí)現(xiàn)多模式控制，其占空比與流入控制腳超過(guò)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(jí)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(gè)具有溫度補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)提供?？刂颇_的動(dòng)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(gè)閾值電壓相比較。漏電流太大將使VDS（ON）超過(guò)閾值電壓并在下一個(gè)時(shí)鐘周期開(kāi)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(duì)流限的影響。

（5）輸入欠壓檢測(cè)（UV）

在上電時(shí)，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(shí)，UV防止它在輸出失調(diào)后自動(dòng)重啟動(dòng)。在斷電時(shí)，UV防止它在輸出失調(diào)后自動(dòng)重啟動(dòng)。

（6）線電壓過(guò)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(guò)壓保護(hù)的閾值，當(dāng)超過(guò)閾值時(shí)就會(huì)立即強(qiáng)制TOP256Y關(guān)斷開(kāi)關(guān)（完成當(dāng)前開(kāi)關(guān)周期后）。如果此情況持續(xù)超過(guò)100μs，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(guò)壓保護(hù)（OVP）

遲滯型或鎖存型輸出過(guò)壓保護(hù)（OVP）的檢測(cè)是都是通過(guò)觸發(fā)輸入過(guò)壓閾值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。V引腳的電壓將下降0.5V，控制器會(huì)在電壓下降后立即測(cè)量外部所連阻抗。如果IV或IM超過(guò)IOV（LS）（典型值為336μA）100μs以上，TOP256Y將關(guān)斷，即鎖存型OVP。只有在VV或VM低于1V，或者VC低于上電復(fù)位閾值（VC（RESET））時(shí)，它才會(huì)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(shí)也用于產(chǎn)生線電壓前饋，使輸出紋波并減小了輸入電壓瞬態(tài)變化時(shí)對(duì)輸出的影響。值得注意的是，對(duì)于相同的控制腳電流，更高的線電壓會(huì)使占空比更小。

（9）遠(yuǎn)程開(kāi)/關(guān)

TOP256Y可通過(guò)控制流入電壓監(jiān)測(cè)引腳或流出外部流限引腳來(lái)接通或關(guān)斷。另外，電壓監(jiān)測(cè)引腳上連有1V的輸入閾值比較器，此電壓閾值也可用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開(kāi)/關(guān)控制。

（10）遲滯過(guò)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(guò)熱關(guān)斷溫度（典型值140℃）時(shí)，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(shí)，自動(dòng)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(lái)自于一個(gè)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)能設(shè)定開(kāi)關(guān)頻率、MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電流、流限和線路OV/UV/OVP閾值。

（12）高壓偏置電流源

在啟動(dòng)或遲滯模式工作時(shí)，高壓電流源從漏極引腳輸入，為T(mén)OP256Y器件提供偏置，并對(duì)控制腳的外接電容充電。在自動(dòng)重啟動(dòng)、遠(yuǎn)程關(guān)斷和過(guò)熱關(guān)斷時(shí)，器件進(jìn)入遲滯工作模式。

2設(shè)計(jì)實(shí)例

圖2是用TOP256Y芯片設(shè)計(jì)的單端反激式開(kāi)關(guān)電源,單端反激開(kāi)關(guān)電源采用了穩(wěn)定性很好的雙環(huán)路反饋（輸出直流電壓隔離取樣反饋外回路和初級(jí)線圈充磁峰值電流取樣反饋內(nèi)回路,的原理圖。輸入為交流220V（±15%），輸出為直流+24V，功率為48W。由于TOPSwitch-HX芯片集成度高，設(shè)計(jì)工作主要是外圍電路的設(shè)計(jì)。外圍電路基本分為輸入整流濾波電路、高頻變壓器,是作為開(kāi)關(guān)電源主要的組成部分。開(kāi)關(guān)電源中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多。比如半橋式功率轉(zhuǎn)換電路，工作時(shí)兩個(gè)開(kāi)關(guān)三極管輪流導(dǎo)通來(lái)產(chǎn)生100kHz的高頻脈沖波，然后通過(guò)高頻變壓器進(jìn)行變壓，輸出交流電，高頻變壓器各個(gè)繞組線圈的匝數(shù)比例則決定了輸出電壓的多少。典型的半橋式變壓電路中為顯眼的是三只高頻變壓器：主變壓器、驅(qū)動(dòng)變壓器和輔助變壓器（待機(jī)變壓器），每種變壓器在國(guó)家規(guī)定中都有各自的衡量標(biāo)準(zhǔn)，比如主變壓器，只要是200W以上的電源，其磁芯直徑（高度）就不得小于35mm。而輔助變壓器，在電源功率不超過(guò)300W時(shí)其磁芯直徑達(dá)到16mm就夠了。箝位保護(hù)電路,是將脈沖信號(hào)波形的某一部分固定在一個(gè)選定的電平上，而使原信號(hào)其余部分的波形形狀保持不變的電路。箝位電路可以使失去直流分量的脈沖信號(hào)恢復(fù)直流成分，故又稱(chēng)直流恢復(fù)器。箝位電路常用于各種顯示設(shè)備。在示波器和雷達(dá)顯示器中用箝位電路對(duì)掃描信號(hào)進(jìn)行直流恢復(fù)，以解決掃描速度改變引起熒光屏上圖像移動(dòng)的問(wèn)題。它用于電視系統(tǒng)可使全電視信號(hào)的同步脈沖頂端電平保持為一個(gè)固定的數(shù)值，以克服由于失去直流分量和干擾等原因所造成的電平波動(dòng)，便于從全電視信號(hào)中分離同步脈沖、欠壓過(guò)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(jì)

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0.33μF/275V；去除共模干擾的C3、C4為22nF/250V；濾波電感T1為20mH。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400V，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(jì)算值的兩倍。

本設(shè)計(jì)中，選用4個(gè)IN5408整流二極管構(gòu)成整流橋。在220VAC（±20%）的供電條件下，電容C5的值可根據(jù)輸出功率按照2μF/W來(lái)取值，再考慮余量后，取100μF/400V。

2.2高頻變壓器設(shè)計(jì)

單端反激式開(kāi)關(guān)電源的高頻變壓器磁芯只工作在磁滯回線的象限。在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)只儲(chǔ)存能量，而在截止時(shí)向負(fù)載傳遞能量。因此，它既是變壓器又是儲(chǔ)能電感，具體設(shè)計(jì)如下：

（8）確定導(dǎo)線線徑

設(shè)計(jì)中初級(jí)繞組和反饋繞組用線徑0.31mm的導(dǎo)線單股繞，次級(jí)繞組用線徑為0.44mm的導(dǎo)線雙股并繞。

2.3箝位保護(hù)電路設(shè)計(jì)

當(dāng)TOP256Y的功率MOSFET管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，在高頻變壓器T2的初級(jí)繞組上會(huì)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(jì)箝位保護(hù)電路，對(duì)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(duì)TOP256Y的損壞，VD1與VD2的選擇由反射電壓VOR決定。VOR一般取135V，VD1箝位電壓VCLO可取1.5倍VOR，VD2的耐壓值應(yīng)大于直流輸入電壓VDCmax。

本設(shè)計(jì)中VD1采用反向擊穿電壓為200V的TVS（瞬態(tài)電壓抑制器）P6KE200A，VD2采用反向耐壓為600V的超快恢復(fù)二極管FR107。

2.4欠壓過(guò)壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)

通過(guò)在V引腳與直流電壓間連接一個(gè)4MΩ的阻抗來(lái)實(shí)現(xiàn)線電壓檢測(cè)。如果直流輸入電壓升至400V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100V,在輸入電壓達(dá)到欠壓閾值前TOP256Y保持關(guān)斷；在斷電時(shí)，防止它在輸出失調(diào)后自動(dòng)重啟動(dòng)。

2.5外部流限保護(hù)電路

電阻R1、R2和R3用來(lái)限制輸出功率，這樣可以在輸入電壓波動(dòng)時(shí)維持相對(duì)恒定的過(guò)載功率。

2.6輸出整流濾波電路的設(shè)計(jì)

輸出整流濾波電路由整流二極管（整流二極管具有明顯的單向?qū)щ娦裕捎冒雽?dǎo)體鍺或硅等材料制造。硅整流二極管的擊穿電壓高，反向漏電流小，高溫性能良好。通常高壓大功率整流二極管都用高純單晶硅制造,摻雜較多時(shí)容易反向擊穿）。這種器件的結(jié)面積較大，能通過(guò)較大電流（可達(dá)上千安），但工作頻率不高，一般在幾十千赫以下。整流二極管主要用于各種低頻半波整流電路，如需達(dá)到全波整流需連成整流橋使用）和濾波電容（儲(chǔ)能電容的安裝數(shù)字電路的電源線與回流線（地線）之間總要連接很多的電容器構(gòu)成。輸出整流二極管的開(kāi)關(guān)損耗占系統(tǒng)損耗的15%以上，是影響開(kāi)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(shí)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(shì)，所以選用肖特基二極管作為整流二極管。選取的依據(jù)是反向峰值電壓。次級(jí)繞組的反向峰值電壓VSM按1.5倍VO選取。

對(duì)輸出濾波電容，選用100μF/50V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0.31mm的導(dǎo)線單股繞，電感值約8mH。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(jì)

為了滿足負(fù)載變化較大時(shí)的供電要求，提高輸出電壓的穩(wěn)定度，設(shè)計(jì)采用了可調(diào)式精密穩(wěn)壓器TL431加線性光耦是以光為媒介來(lái)傳輸電信號(hào)的器件，通常把發(fā)光器（紅外線發(fā)光二極管LED）與受光器（光敏半導(dǎo)體管）封裝在同一管殼內(nèi)。當(dāng)輸入端加電信號(hào)時(shí)發(fā)光器發(fā)出光線，受光器接受光線之后就產(chǎn)生光電流，從輸出端流出，從而實(shí)現(xiàn)了"電—光—電"轉(zhuǎn)換。普通光耦合器只能傳輸數(shù)字（開(kāi)關(guān)）信號(hào)，不適合傳輸模擬信號(hào),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2.5V參考電壓進(jìn)行比較，當(dāng)輸出電壓正常（24V）時(shí)，采樣電壓與TL431提供的2.5V參考電壓相等則TL431的K極電位不變，流過(guò)光耦二極管的電流不變