基于TOP227Y芯片的單端反激式開關(guān)電源制作

基于TOP227Y芯片的單端反激式開關(guān)電源前言雖然身邊到處充滿著電子設備，所有空間幾乎都被各種電磁波覆蓋，但是從來沒有真正留意過什么。后來,因為偶爾需要找朋友維修一些電子設備，加之有培養(yǎng)孩子學一些電子電路知識的想法，于是就在不經(jīng)意間走近了“近在咫尺卻又遠在天邊〞的電子世界。開場是基于簡單的需要，利用工頻變壓器和LM317自己設計制作了帶呼吸燈的直流穩(wěn)壓電源比擬粗糙。后來因為要改造車載點煙器的手機充電接口，又基于34063自制車載手機充電板，使用中發(fā)現(xiàn)34063做的充電板雖然根本滿足使用要求。但是一直存在芯片明顯發(fā)熱的問題，偶爾還有電感噪聲。于是基于LM2596再做車載手機充電板。從制作中了解到LM2596系列是3A電流輸出降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片，它含固定頻率振蕩器〔150KHZ〕和基準穩(wěn)壓器〔1.23v〕，并具有完善的保護電路、電流限制、熱關(guān)斷電路等。利用該器件只需很少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。這時才第一次聽說“開關(guān)電源〞〔開場還以為就是帶機械開關(guān)的電源呢，呵呵〕。上網(wǎng)查閱資料，學習，嘗試，自己終于制成了一款真正的開關(guān)電源。知識超市1、單激式變壓器開關(guān)電源變壓器開關(guān)電源的最大優(yōu)點是，變壓器可以同時輸出多組不同數(shù)值的電壓，改變輸出電壓和輸出電流很容易，只需改變變壓器的匝數(shù)比和漆包線截面積的大小即可；另外，變壓器初、次級互相隔離，不需共用同一個地。因此，變壓器開關(guān)電源也有人把它稱為離線式開關(guān)電源。這里的離線并不是不需要輸入電源，而是輸入電源與輸出電源之間沒有導線連接，完全是通過磁場偶合傳輸能量。變壓器開關(guān)電源采用變壓器把輸入輸出進展電器隔離的最大好處是，提高設備的絕緣強度，降低平安風險，同時還可以減輕EMI干擾，并且還容易進展功率匹配。變壓器開關(guān)電源有單激式變壓器開關(guān)電源和雙激式變壓器開關(guān)電源之分，單激式變壓器開關(guān)電源普遍應用于小功率電子設備之中，因此，單激式變壓器開關(guān)電源應用非常廣泛。而雙激式變壓器開關(guān)電源一般用于功率較大的電子設備之中，并且電路一般也要復雜一些。單激式變壓器開關(guān)電源的缺點是變壓器的體積比雙激式變壓器開關(guān)電源的激式變壓器的體積大，因為單激式開關(guān)電源的變壓器的磁芯只工作在磁回路曲線的單端，磁回路曲線變化的面積很小。2、單片開關(guān)電源的簡單原理單片開關(guān)電源由于具有單片集成化、最簡外電路、最正確性能指標、無工頻變壓器、能完全實現(xiàn)電氣隔離等顯著特點，顯示出強大的生命力，倍受人們青睞，是開關(guān)電源的開展方向。目前,它已成為國際上開發(fā)290W以下高效率中、小功率開關(guān)電源、精細開關(guān)電源、特種開關(guān)電源及電源模塊的優(yōu)選集成電路。TOP227Y是PI公司1997年推出了TOPSwitchⅡ系列器件中一款輸出功率比大的芯片，其封裝形式是TO-220，自帶小散熱片，是典型的三端集成器件，三個管腳分別為控制端C〔control〕、源極S〔source〕、漏極D(drain)，其部功率MOSFET器件的耐壓值高達700V，可設計成150W以下儀器儀表的多路隔離式置控制電源?！铂F(xiàn)在該公司的產(chǎn)品已經(jīng)出到TOPSwitch-J*系列型號是TOP264-271〕TOP227Y的根本工作原理是利用反應電流Ic來調(diào)節(jié)占空比D，到達穩(wěn)壓目的。如當輸出電壓Vo減小時，經(jīng)過反應電路使得Ic降低，D增大，Vo升高，最終使Vo保持不變。本設計的原理圖如圖是用TOP227Y芯片設計的單端反激式開關(guān)電源的原理圖。輸入為220VAC〔±15%〕，輸出為+12VDC。由于TOPSwitch芯片集成度高，設計工作主要是外圍電路的設計。外圍電路根本分為輸入整流濾波電路、鉗位保護電路、高頻變壓器、輸出整流濾波電路及反應電路5局部。電路流濾波線圈為10～33mH，采取雙線并繞。整流電路選擇整流橋，交流電源經(jīng)過BR1和C2整流濾波后產(chǎn)生直流高壓，給高頻變壓器的初級繞組供電。高頻變壓器初級繞組NP的極性與次級繞組NS、反應繞組NF的極性相反。在TOPSwitch導通時，次級整流管VD4截止，此時電能以磁能量形式存儲在初級繞組中；當TOPSwitch截止時，VD4導通，能量傳輸給次級。高頻變壓器在電路中兼有能量存儲、隔離輸出和電壓變換這三大功能。直流高壓經(jīng)初級繞組加至TOPSwitch的漏極上。在功率MOSFET關(guān)斷瞬間，高頻變壓器漏感會產(chǎn)生尖峰電壓，另外在初級繞組上還會產(chǎn)生感應電壓(即反向電動勢)，兩者疊加至部功率開關(guān)管MOSFET的漏極上，因此必須在漏極增加鉗位保護電路。鉗位電路由瞬態(tài)電壓抑制器或穩(wěn)壓管VR2和超快恢復二極管VD1組成。VR2和VD1能將漏感產(chǎn)生的尖峰電壓箝位到平安值。VR2采用反向擊穿電壓為200V的瞬態(tài)電壓抑制器P6KE200A，VD1選用1A/600V的超快恢復二極管BYV26C。當MOSFET導通時，變壓器的初級極性上端為正，下端為負，從而導致VD4截止，因而鉗位電路不起作用。在MOSFET截止瞬間，初級極性則變?yōu)樯县撓抡藭r尖峰電壓就被VR2吸收掉。次級繞組電壓通過VD4、C9、C10、L2和C12、C14整流濾波，獲得12V輸出電壓Vo。輸出整流濾波電路由整流二極管和濾波電容、濾波電感構(gòu)成。輸出整流二極管的開關(guān)損耗占系統(tǒng)損耗的1/6多，是影響開關(guān)電源效率的主要因素，它包括正向?qū)〒p耗和反向恢復損耗。由于肖特基二極管反向恢復時間短，在降低反向恢復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，所以選用肖特基二極管MUR620CT作為整流二極管。對輸出濾波電容，ESR〔等效串聯(lián)阻抗〕和紋波電流是它的兩個重要參數(shù)。當電容兩端電壓小于35V時，ESR只與電容的體積有關(guān),可以考慮使用高頻低阻電容。由于手里沒有這樣的電容，我采用兩個電解電容并聯(lián)降低阻的方法。輸出濾波電感采用的是一個舊的拆機電感，測量大約有10uH。它的作用主動抑制開關(guān)噪聲的產(chǎn)生。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，如圖中的C11。反應繞組電壓經(jīng)過VD2、C7整流濾波后獲得反應電壓，經(jīng)光耦合器中的光敏三極管給TOPSwitch的控制端提供偏壓。輸出電壓Vo通過電阻R13、R15分壓，與TL431中的2.5V基準電壓進展比擬后輸出誤差電壓，然后通過光耦去改變控制端電流。TOPSwitch的占空比D與Ic〔控制電流〕成反比。反應電路是通過調(diào)節(jié)TOPSwitch的占空比實現(xiàn)穩(wěn)壓的。關(guān)于反應相關(guān)參數(shù)設計為使PWM線性調(diào)節(jié)，一般選PC817A二極管正向電流為3mA；TL431一般選20mA即可，不但可穩(wěn)定工作，又能提供一局部死負載。設計的取值為：R12＝470Ω，R3＝150Ω，R13＝38K，R15＝10K。〔由于除了470歐的電阻手里沒有其他對應阻值，所以采用兩個300歐并聯(lián)代替R3，R15采用12K，R13采用47K。所以本設計實際輸出電壓為12.29V〕假設需增加軟起動功能以限制開啟電源時的占空比，使Vo平滑地升高，應在U2的兩端并聯(lián)一只軟起動電容，容量圍為4.7μF～47μF。在軟起動過程中Vo是按照一定的斜率升高的，能對TOP227Y起到保護作用。改變高頻變壓器的匝數(shù)比和U2的穩(wěn)壓值，還可獲得其他輸出電壓值。R7為12V輸出提供一個假負載，用以提高輕載時的負載調(diào)整率。其實本設計中可以不用這個R7，可以在安裝元件時把它換成濾波電容。實際制作PCB設計[小常識]開關(guān)電源PCB排版的要點1.旁路瓷片電容器的電容不能太大，而它的寄生串聯(lián)電感應盡量小，多個電容并聯(lián)能改善電容的阻抗特性；2.電感的并聯(lián)電容應盡量小，電感引腳焊盤之間的距離越遠越好；防止在底層上放置任何功率或信號走線；3.高頻環(huán)路的面積應盡可能減??；4.過孔放置不應破壞高頻電流在底層上的路徑；

5.系統(tǒng)板上不同電路需要不同接地層，不同電路的接地層通過單點與電源接地層相連接；6.控制芯片至上端和至下端場效應管的的驅(qū)動電路環(huán)路要盡量短；7.開關(guān)電源功率電路和控制信號電路元器件需要連接道不同的接地層，這兩個地層一般都是通過單點相連接。利用感光板制作正在腐蝕中......腐蝕完畢涂阻焊層，制作絲印層，鉆孔，焊接，制作成品。以下兩局部電路是預留調(diào)試用的，沒有安裝元件。R8和C4構(gòu)成能量吸收回路，他們的設計決定著鉗位保護電路的類型R11和C8構(gòu)成緩沖電路，但是取值不當會引起更大的振蕩。由于沒有示波器，無法測量輸出波紋有多大，也沒有設備去測量噪聲如何。只是用萬用表測量空載輸出12.29V,連接手機充電板，給手機充電從30%直至充滿沒有問題。

后記：制作成功的關(guān)鍵：一是變壓器的設計制作〔該公司有專門的設計軟件，可惜已經(jīng)不支持II系列了〕。我這里用的是一個現(xiàn)成二手的舊變壓器。另外就是PCB的設計很重要，自己去設計時才發(fā)現(xiàn)這里的學問太多了，學無止境??！附錄：制成電路板的尺寸大約是50mm*100mm。體積比一個工頻變壓器大不了多少。真是體積小，重量輕，效率高啊。

后來到朋友處用示波器測量，由于示波器比擬古老，看不出直流輸出有明顯的波紋。猜想：該電源紋波電壓峰一峰值小于100mV？隨后又測試了帶載能力，持續(xù)點亮一個汽車前照鹵素大燈，55W，電壓一直非常穩(wěn)定在12.29V，比擬理想。根據(jù)制成品和需要又重新微調(diào)了PCB布局：

1、改變交流濾波電感的封裝，可以兼容手里兩種不同規(guī)格的電感

2、進一步縮小高頻回路的面積。關(guān)于開關(guān)電源變壓器次級大多采用“半波〞整流方式的解釋開關(guān)電源利用單激方式工作，即開關(guān)管導通時變壓器儲能，截止時變壓器才釋能，所以變壓器次級實際上輸出的是脈沖電而非正、負半周都有。所以采用半波足夠了！關(guān)于單片開關(guān)電源的選用

本設計對應Top-II系列芯片，換用TOP224Y〔輸出功率75W〕亦可。但是應用輸出功率150W的TOP227Y，相當于降額使用，這樣就可以降低導通損耗。關(guān)于假負載的討論1、加假負載是為解決空載振蕩的問題

原理：

單端反激電源在空載的情況下，在*些工作點處會發(fā)生振蕩現(xiàn)象，表現(xiàn)為變壓器的嘯叫或輸出的不穩(wěn)定。發(fā)生這種現(xiàn)象是由于空載或輕載時開關(guān)瞬時開通時間過大，造成輸出能量太大因此電壓過沖也很大。需要較長的時間去恢復到正常電壓，因此開關(guān)需停頓工作一段時間，這樣開關(guān)就工作于間歇性工作模式。為了解決這種振蕩而加假負載，這樣使得電壓過沖減小或消失。

但太大的假負載會使單端反激電源的效率降低，而且即使在輕載的情況下，在*一特定工作點也有可能發(fā)生振蕩

2、高壓輕載情況下，是反激環(huán)路最惡劣的狀態(tài)，因為這時候主功率回路的極點頻率很低，增益曲線會以-20db/dec衰減~而我們常常會在反激濾波電容的ESR零點頻率處增加一個極點來補償濾波電容的ESR零點，補償回路在ESR零點頻率后，會以-20db/dec衰減，而主功率回路，也會以-20db/dec衰減，這樣一來，總的開環(huán)增益會以-40db/dec衰減，穿過0db線，系統(tǒng)極容易發(fā)生震蕩。增加死負載以后，