基于TOPSwitch超寬輸入隔離式穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)

引言

開(kāi)關(guān)電源(Switching Power Supply)自問(wèn)世以來(lái)，就以其穩(wěn)定、高效、節(jié)能等優(yōu)良性能而成為穩(wěn)壓電源的主要產(chǎn)品。而高度集成化的單片開(kāi)關(guān)電源，更是因其高性價(jià)比、簡(jiǎn)單的外圍電路、小體積與重量和無(wú)工頻變壓器隔離方式等優(yōu)勢(shì)而成為穩(wěn)壓電源中的佼佼者。隨著各種不同的單片開(kāi)關(guān)電源芯片及其電路拓?fù)涞膽?yīng)用和推廣，單片開(kāi)關(guān)電源越來(lái)越體現(xiàn)出巨大的實(shí)用價(jià)值和美好前景。但是，TOPSwitch通常允許的輸入電壓變化范圍為120～370V，本文嘗試用它制作更寬輸入電壓變化范圍(80～550V)的穩(wěn)壓電源。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明是很成功的。

芯片結(jié)構(gòu)及穩(wěn)壓原理

近十幾年來(lái)，美國(guó)電源集成公司(PI)、摩托羅拉公司(Motorola)、意-法半導(dǎo)體公司(SGS-Thomson)、美國(guó)Onsemi公司等相繼推出了TOPSwitch，MC，L4970，NCP1000等不同系列的單片開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品。由于TOPSwitch系列產(chǎn)品性能穩(wěn)定，價(jià)格實(shí)惠，故本文選擇該系列中的一種芯片為核心設(shè)計(jì)制作了一種輸入范圍極寬的穩(wěn)壓電源。該電源輸入直流電壓范圍為80～550V，輸出直流電壓20V，輸出功率20W。

TOPSwitch不論是三腳封裝，還是DIP-8或SMB-8封裝，其實(shí)質(zhì)都是三端器件，分別為控制端C(Control)、源極 S(Source)、漏極D(Drain)?？刂贫说闹饕饔檬?，根據(jù)其電流Ic來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)占空比，當(dāng)Ic變化時(shí)，占空比就在一定范圍內(nèi)變化。源極S與芯片內(nèi)部功率MOS管源極相連，并作為初級(jí)電路的公共地。漏極D與芯片內(nèi)部功率MOS管的漏極相連。

TOPSwitch主要包括控制電壓源、高壓電流源、關(guān)斷/自動(dòng)重啟動(dòng)電路、并聯(lián)調(diào)整器/誤差放大器、帶隙基準(zhǔn)電壓源、過(guò)熱保護(hù)及上電復(fù)位電路、過(guò)流保護(hù)電路、振蕩器、脈寬調(diào)制器、門(mén)驅(qū)動(dòng)級(jí)和輸出級(jí)等10個(gè)部分。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 TOPSwitch內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

TOPSwitch的額定開(kāi)關(guān)頻率為100kHz，允許工作范圍90～110kHz。

TOPSwitch的穩(wěn)壓原理是通過(guò)反饋電流(即控制端電流)Ic來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)占空比，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。例如，當(dāng)輸出電壓上升時(shí)，反饋電流隨之上升，占空比呈反向變化而下降，導(dǎo)致輸出電壓也隨之下降，從而保證輸出電壓的穩(wěn)定。反之亦然。

電路圖及工作原理

由TOPSwitch構(gòu)成的單片開(kāi)關(guān)電源如圖2所示，是典型的單端反激式開(kāi)關(guān)電源。

圖2 由TOPSwitch構(gòu)成的20W穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電源

圖2中T為三繞組高頻變壓器，工作頻率為100kHz。3個(gè)繞組分別為：Np原邊繞組(65匝);Ns副邊繞組(即輸出繞組，13匝)；Nf反饋繞組(8匝)；各繞組同名端在圖2中已標(biāo)出。變壓器中能量傳遞過(guò)程為：當(dāng)TOPSwitch中的功率MOSFET導(dǎo)通時(shí)，變壓器原邊繞組儲(chǔ)存能量；當(dāng)功率MOSFET關(guān)斷時(shí)，原邊繞組中儲(chǔ)存的能量傳遞給副邊繞組和反饋繞組，經(jīng)高頻整流濾波后即可提供直流輸出電壓和反饋電壓。

DZ1、D1和R1、C2組成了漏極箝位電路和能量吸收回路，用以限制TOPSwitch漏極因高頻變壓器的漏感而可能產(chǎn)生的尖峰電壓。DZ1選用P6KE200A型瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)，其反向擊穿電壓為200V。D1選用MUR160型超快恢復(fù)二極管，其最大反向耐壓值為600V。由于TOPSwitch的漏—源極最小擊穿電壓為700V，而當(dāng)其功率MOSFET關(guān)斷時(shí)，變壓器原邊的直流輸入電壓、原邊繞組的感應(yīng)電壓以及由變壓器的漏感而產(chǎn)生的尖峰電壓，三者疊加在一起，其值可能超過(guò)700V，故必須在TOPSwitch的漏極增加箝位電路和吸收電路，用以保護(hù)功率MOSFET不被損壞。

C3為T(mén)OPSwitch控制端的旁路電容，其作用是對(duì)控制電路進(jìn)行補(bǔ)償，并能設(shè)定自動(dòng)重啟動(dòng)頻率。電路中所選參數(shù)值已將自動(dòng)重啟動(dòng)頻率設(shè)定為1.2Hz。

D2及D3為高頻輸出整流二極管，其中D2為MUR420型超快恢復(fù)二極管，其最大反向工作電壓為200V，額定整流電流為4A；D3為1N4148型玻封高速開(kāi)關(guān)二極管，其最大反向工作電壓75V，平均整流電流150mA。

L1為濾波電感，其值約為20μH，是由非晶合金磁性材料制成的穿心電感，俗稱(chēng)“磁珠”。其作用是濾除D2在反向恢復(fù)過(guò)程中產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)噪聲。

DZ2及DZ3為穩(wěn)壓管，型號(hào)為2CW346。IC2為線性光耦合器，型號(hào)為PC817A，其內(nèi)部發(fā)光二極管的導(dǎo)通壓降約為1V，正常工作電流If約為1～5mA，其直流電流傳輸比為80%～160%。

輸出電壓由兩只穩(wěn)壓管電壓、PC817A中發(fā)光二極管的導(dǎo)通壓降以及電阻R4上壓降三者之和而確定，故改變R4的大小，就能改變(精確調(diào)節(jié))輸出電壓的設(shè)定值，同時(shí)也能改變控制電路的增益，即改變控制電路的放大倍數(shù)。對(duì)于不同的輸出電壓要求，只須改變穩(wěn)壓管和限流電阻R4的大小即可。如前所述，輸出電壓 Vo的穩(wěn)壓過(guò)程為：Vo↑(↓)→VR4↑(↓)→If↑(↓)→Ic↑(↓)→占空比↓(↑)→Vo↓(↑)。