TOPSwitchⅡ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,采用它制作高頻開關(guān)電源,不僅簡化了電路,同時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制作的實驗穩(wěn)壓電源。電路運用PWM技術(shù)和線性穩(wěn)壓技術(shù),設(shè)計新穎,具有一定的實用價值。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/233506.htm關(guān)鍵詞:TOPSwitch器件 單端反激拓?fù)?PWM電路 電磁兼容
1 引言
在進行電路和單片機實驗時,實驗穩(wěn)壓電源是必需的設(shè)備之一,對這類穩(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)不同場合的需要。市售的實驗穩(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)點是簡單、易制造、價格低,缺點是體大笨重和效率低。采用高頻開關(guān)電源是克服上述缺點的有效途徑,但一般的高頻開關(guān)電源電路復(fù)雜,元器件較多,制作成本也會有所提高,所以目前在實驗穩(wěn)壓電源中采用高頻開關(guān)技術(shù)的仍不多見。然而采用TOPSwitch等新型器件制作的高頻開關(guān)電源,電路可以做得和工頻線性穩(wěn)壓電源一樣簡單,性能很優(yōu)越,效率卻遠(yuǎn)高于后者,而成本也不會有明顯的增加。
TOPSwitch器件是美國功率集成公司(POWERIntegrationsInc),于90年代中期推出的新型高頻開關(guān)電源芯片。它是三端脫線式PWM開關(guān)的英文縮寫(ThreeterminalofflinePWMSwitch)。它的特點是將高頻開關(guān)電源中的PWM控制器和MOSFET功率開關(guān)管集成在同一芯片上,是一種二合一器件。這大大簡化了電源電路,提高了可靠性,使得電源的設(shè)計更加簡單快捷。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,減小了器件對電路板布局和輸入總線瞬變的要求。TOPSwitch-II是TOPSwitch的改進型號,它將單電壓輸入時的最大功率100W提高到150W,電磁兼容性也得到增強,該器件具有更高的性能價格比。TOPSwitch-II器件包括TOP225-TOP227等幾個型號,主要差別就在于輸出功率的不同。TOPSwitchII器件的內(nèi)部電路與性能分別見圖1和表1所示。
表1 TOPSwitch-Ⅱ的產(chǎn)品分類及最大輸出功率POM
TOP-220封裝(Y) | DIP-8封裝(P)/SMD-8封裝(G) | ||||
產(chǎn)品型號 | 固定輸入(110/115/230VAC±15%) | 寬范圍輸入(85~265) | 產(chǎn)品型號 | 固定輸入(110/115/230VAC,±15%) | 寬范圍輸入(85~265VAC) |
TOP221Y | 12W | 7W | TOP221P/G | 9W | 6W |
TOP222Y | 25W | 15W | TOP222P/G | 15W | 10W |
TOP223Y | 50W | 30W | TOP223P/G | 25W | 15W |
TOP224Y | 75W | 45W | TOP224P/G | 30W | 20W |
TOP225Y | 100W | 60W | —— | —— | —— |
TOP226Y | 125W | 75W | |||
TOP227Y | 150W | 90W |
2 工作原理
該電源電路拓?fù)錇閱味朔醇な?,電路原理見圖2所示。220V市電經(jīng)電源噪聲濾波器LF后再通過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)傳來的雜波電壓,凈化輸入電源,另一方面也阻止高頻開關(guān)電源的振蕩電壓竄入電網(wǎng),干擾其它電器?,F(xiàn)在很多電源設(shè)計不重視電源濾波器的選擇,一些中小功率的高頻開關(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)斷過程中由于變壓器漏感產(chǎn)生的電壓尖峰過沖,電路的工作頻率為100kHz,振蕩元件已固化在器件內(nèi)部,高頻變壓器的次級有4個繞組,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行脈寬控制,是因為它的輸出電壓低電流大,更能體現(xiàn)出開關(guān)電源的優(yōu)越性。為了實現(xiàn)對光耦的隔離供電,變壓器單設(shè)了一個輔助繞組N2?!?2V/0.5A繞組N4及N5采用集成三端穩(wěn)壓器LM7812和LM7912進行線性穩(wěn)壓,因輸出電流不大,功耗較低,散熱問題容易解決。次級中還有一個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,功耗大和效率低的缺點,此繞組設(shè)置了高、低兩個抽頭,抽頭的變換由繼電器自動切換,切換電壓設(shè)在15V,由TL431取樣。當(dāng)要求輸出電壓低于15V時,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,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。
3 高頻變壓器的設(shè)計
在制作單端反激式高頻開關(guān)電源時,高頻變壓器的設(shè)計與計算是至關(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
Uimax=根號2×260=364V(空載)
Uimin=根號2×18-22=230V(空載)
K=Uimax=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,其長度
=0.4×3.14×0.73×10-3×1.572
/(1.61×0.192)
=0.04cm
(2)變壓器初級匝數(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。
采用高強度漆包線繞制,各繞組所用漆包的線徑如下:
N1用φ0.71mm
N2、N4、N5用φ0.42mm
N3用φ0.99mm
N6用φ0.72mm
5V繞組的輸出濾波電感線圈L1選φ4cm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,電壓表的型號為85C1、表盤刻度0~30V。
高頻變壓器的計算過程是很繁瑣的,要考慮大量相互關(guān)聯(lián)的設(shè)計變量,費力耗時。為減輕設(shè)計者負(fù)擔(dān),美國功率集成公司特為TOPSwitch器件設(shè)計了一套EXCEL電子表格,可以在PC機上運行。應(yīng)用電子表格設(shè)計電源,簡單快捷,一般只要10分鐘左右即可完成。中國電源學(xué)會1999年第13屆年會上,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。
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