TOPSwitchⅡ在穩(wěn)壓電源中的應(yīng)用

摘要：TOPSwitch－II器件是一種PWM/MOSFET二合一的新型集成芯片，采用它制作高頻開(kāi)關(guān)電源，不僅簡(jiǎn)化了電路，同時(shí)可以改善電源的電磁兼容性能，降低制作成本，本文介紹一種用TOP225Y制作的實(shí)驗(yàn)穩(wěn)壓電源。電路運(yùn)用PWM技術(shù)和線性穩(wěn)壓技術(shù)，設(shè)計(jì)新穎，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：TOPSwitch器件PWM電路電磁兼容

Application about TOPSwitch－ II Device in Stabile valtage Power Supply for experiment

Abstract: TOPSwitch Ⅱ device is a new type IC merging PWM and MOSFET into one.The high frequency switching power supply mode from it can not only simplify the circuit,but also can improve the EMC characteristics of power supply and reduce the cost of productioncosts. This paper introduces a kind of stabile voltage supply for experiment made of TOP225Y. The circuit used PWM technique and linear stabile voltage technique.Its design is original,and also has some practical value.

Keywods: TOPSwitch, Single ended backward topology, PWM,

EMC中圖法分類號(hào)：TN86文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：02192713(2000)1155303

1引言

在進(jìn)行電路和單片機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)穩(wěn)壓電源是必需的設(shè)備之一，對(duì)這類穩(wěn)壓電源，功率容量并不要求很大，但要有多組輸出電壓，其中最好有一組輸出電壓能夠連續(xù)可調(diào)，以適應(yīng)不同場(chǎng)合的需要。市售的實(shí)驗(yàn)穩(wěn)壓電源種類很多，但基本上都是采用工頻線性穩(wěn)壓方式。其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、易制造、價(jià)格低，缺點(diǎn)是體大笨重和效率低。采用高頻開(kāi)關(guān)電源是克服上述缺點(diǎn)的有效途徑，但一般的高頻開(kāi)關(guān)電源電路復(fù)雜，元器件較多，制作成本也會(huì)有所提高，所以目前在實(shí)驗(yàn)穩(wěn)壓電源中采用高頻開(kāi)關(guān)技術(shù)的仍不多見(jiàn)。然而采用TOPSwitch等新型器件制作的高頻開(kāi)關(guān)電源，電路可以做得和工頻線性穩(wěn)壓電源一樣簡(jiǎn)單，性能很優(yōu)越，效率卻遠(yuǎn)高于后者，而成本也不會(huì)有明顯的增加。

圖1TOPSwitch－Ⅱ系列器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

TOPSwitch器件是美國(guó)功率集成公司（POWERIntegrationsInc），于90年代中期推出的新型高頻開(kāi)關(guān)電源芯片。它是三端脫線式PWM開(kāi)關(guān)的英文縮寫（ThreeterminalofflinePWMSwitch）。它的特點(diǎn)是將高頻開(kāi)關(guān)電源中的PWM控制器和MOSFET功率開(kāi)關(guān)管集成在同一芯片上，是一種二合一器件。這大大簡(jiǎn)化了電源電路，提高了可靠性，使得電源的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單快捷。TOPSwitch器件有多種封裝形式，采用DIP－8和SMD－8封裝的，中間4只為空腳，可以將它們接到印刷電路板的銅箔上，將芯片產(chǎn)生的熱量直接傳到印刷電路板上，不必另設(shè)散熱器，節(jié)省了成本。采用TO220封裝的，只有3只管腳，使用起來(lái)就和一只大功率三極管一樣便利。此外由于PWM控制器和MOSFET功率開(kāi)關(guān)管是在管殼內(nèi)連接的，連線極短，這就消除了高頻輻射現(xiàn)象，改善了電源的電磁兼容性能，減小了器件對(duì)電路板布局和輸入總線瞬變的要求。TOPSwitch－II是TOPSwitch的改進(jìn)型號(hào)，它將單電壓輸入時(shí)的最大功率100W提高到150W，電磁兼容性也得到增強(qiáng)，該器件具有更高的性能價(jià)格比。TOPSwitch－II器件包括TOP225－TOP227等幾個(gè)型號(hào)，主要差別就在于輸出功率的不同。TOPSwitchII器件的內(nèi)部電路與性能分別見(jiàn)圖1和表1所示。

圖2穩(wěn)壓電源原理圖

表1TOPSwitch－Ⅱ的產(chǎn)品分類及最大輸出功率POM

2工作原理

該電源電路拓?fù)錇閱味朔醇な剑娐吩硪?jiàn)圖2所示。220V市電經(jīng)電源噪聲濾波器LF后再通過(guò)橋式整流器直接整流。電源濾波器的作用一方面是濾除由電網(wǎng)傳來(lái)的雜波電壓，凈化輸入電源，另一方面也阻止高頻開(kāi)關(guān)電源的振蕩電壓竄入電網(wǎng)，干擾其它電器。現(xiàn)在很多電源設(shè)計(jì)不重視電源濾波器的選擇，一些中小功率的高頻開(kāi)關(guān)電源往往不加電源濾波器，這樣不僅降低了電源本身的抗干擾能力，影響其工作穩(wěn)定性，而且也造成對(duì)公共電網(wǎng)的污染。市電經(jīng)整流和電容濾波后，變成308V的直流電壓供給TOPSwitch－II器件，TOPSwitch－II構(gòu)成DC/DC變換器，它將輸入的直流高壓變成脈寬可調(diào)的高頻脈沖電壓，經(jīng)高頻變壓器降壓后再進(jìn)行半波整流和濾波，變成所需要的直流電壓輸出。R1、C1、VD1組成緩沖吸收電路，吸收功率器件在關(guān)斷過(guò)程中由于變壓器漏感產(chǎn)生的電壓尖峰過(guò)沖，電路的工作頻率為100kHz，振蕩元件已固化在器件內(nèi)部，高頻變壓器的次級(jí)有4個(gè)繞組，其中的5V/3A繞組N3控制TOPSwitch－II器件的脈寬，即這一組輸出電壓為PWM穩(wěn)壓，由并聯(lián)可編程穩(wěn)壓器TL431和光電耦合器PC及分壓電阻R7、R8完成取樣反饋工作。之所以選擇這一繞組進(jìn)行脈寬控制，是因?yàn)樗妮敵鲭妷旱碗娏鞔?，更能體現(xiàn)出開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)越性。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)光耦的隔離供電，變壓器單設(shè)了一個(gè)輔助繞組N2。±12V/0.5A繞組N4及N5采用集成三端穩(wěn)壓器LM7812和LM7912進(jìn)行線性穩(wěn)壓，因輸出電流不大，功耗較低，散熱問(wèn)題容易解決。次級(jí)中還有一個(gè)1.25V～30V/1.5A的可調(diào)繞組N6，采用了可調(diào)三端穩(wěn)壓器LM317進(jìn)行線性穩(wěn)壓和調(diào)壓，為了克服線性穩(wěn)壓在低壓輸出時(shí)，功耗大和效率低的缺點(diǎn)，此繞組設(shè)置了高、低兩個(gè)抽頭，抽頭的變換由繼電器自動(dòng)切換，切換電壓設(shè)在15V，由TL431取樣。當(dāng)要求輸出電壓低于15V時(shí)，TL431的參考輸入端的電壓低于2.5V，TL431截止，繼電器K不吸合，低壓繞組被接通。反之，當(dāng)要求輸出電壓高于15V時(shí)，TL431的參考輸入端的電壓高于2.5V，TL431導(dǎo)通，繼電器吸合，高壓繞組被接通。電壓表PV指示輸出電壓的數(shù)值。

TOPSwitch－II器件型號(hào)的選擇

本電源總輸出功率為各組輸出功率之和：

PO=5×3＋12×2×0.5＋30×1.5=72W

若電源總的效率為80％，則電源輸入的總功率應(yīng)為：

Pi=PO/80％=72/0.8=90W

從表1可以看出，在220V單一電壓條件下，TOP225Y的最大輸出功率為100W，能夠滿足本電路要求。

圖2 穩(wěn)壓電源原理圖

3高頻變壓器的設(shè)計(jì)

在制作單端反激式高頻開(kāi)關(guān)電源時(shí)，高頻變壓器的設(shè)計(jì)與計(jì)算是至關(guān)重要的，其工作量也是比較大的。

假定交流輸入電壓的范圍是180V～260V，整流器壓降和輸出電壓紋波為22V，最大占空比為Dmax=0.5，則K=Uimax/Uimin=364/230=1.58

Dmin=Dmax/[(1－Dmax)K＋Dmax]

=0.5/[(1－0.5)×1.58＋0.5]=0.38

Ip=2PO/(Uimin×Dmax)

=2×90/(230×0.5)=1.57A

(1)變壓器初級(jí)電感量

Lp=Uimin×Dmax/(Ip×f)

=230×0.5/(1.57×100×103)

=0.73mH

選擇南京CONDA公司的PQ32/30磁芯、LP3材料、AL=1.61、磁通密度B=0.39T，變壓器工作在單端狀態(tài)，最大工作磁通

Bmax=B/2=0.39/2=0.19T

為避免出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象，變壓器磁芯要留有空氣隙，其長(zhǎng)度

Lg=0.4×π×Lp×Ip2/(AL×B2max)

=0.4×3.14×0.73×10－3×1.572

/(1.61×0.192)

=0.04cm

(2)變壓器初級(jí)匝數(shù)N1

N1=Lp×Ip×104/(AL×Bmax)

=0.73×10－3×1.57×104/1.61×0.19

=38匝（取整）

（3）5V繞組匝數(shù)N3

N3=N1（UO＋UD）（1－Dmax）/(Uimin×Dmax)

=38×(8＋1)(1－0.5)/(230×0.5)

=1匝（取整）

（4）±12V繞組匝數(shù)N4、N5

N4=N5=N1（UO＋UD）（1－Dmax）/(Uimin×Dmax)

=38×(15＋1)×(1－0.5)/(230×0.5)

=3匝（取整）

（5）反饋繞組匝數(shù)N2=N4=N5

（6）1.25V～30V可調(diào)繞組匝數(shù)N6

N6=N1（UO＋UD）（1－Dmax）/(Uimin×Dmax)

=38×(33＋1)(1－0.5)/(230×0.5)

=6匝（取整）

在3匝處抽頭

上述計(jì)算匝數(shù)各公式中的UO為輸出電壓（取額定輸出電壓＋穩(wěn)壓器壓降3V），UD為快恢復(fù)二極管壓降，取1V。

采用高強(qiáng)度漆包線繞制，各繞組所用漆包的線徑如下：

N1用0.71mm

N2、N4、N5用0.42mm

N3用0.99mm

N6用0.72mm

5V繞組的輸出濾波電感線圈L1選4cm磁環(huán)，用1.0mm漆包線穿繞15匝。

高、低壓切換繼電器用JZC22F，DC12V/10A，電壓表的型號(hào)為85C1、表盤刻度0～30V。

高頻變壓器的計(jì)算過(guò)程是很繁瑣的，要考慮大量相互關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)變量，費(fèi)力耗時(shí)。為減輕設(shè)計(jì)者負(fù)擔(dān)，美國(guó)功率集成公司特為TOPSwitch器件設(shè)計(jì)了一套EXCEL電子表格，可以在PC機(jī)上運(yùn)行。應(yīng)用電子表格設(shè)計(jì)電源，簡(jiǎn)單快捷，一般只要10分鐘左右即可完成。中國(guó)電源學(xué)會(huì)1999年第13屆年會(huì)上，曾有一篇論文，專門介紹了EXCEL電子表格，讀者可參閱該文，這里不再贅述。