基于TOPSwitch-GX系列的多輸出開關(guān)電源

1 引言

    多路輸出開關(guān)電源廣泛應(yīng)用在各種復(fù)雜小功率電子系統(tǒng)中，就多路輸出而言，通常只有輸出電壓低、輸出電流變化范圍大的一路作為主電路進行反饋調(diào)節(jié)控制，以保證在輸入電壓及負載變化時保持輸出電壓穩(wěn)定，由于受變壓器各個繞組間的漏感和繞組電阻等的影響，輔助輸出電壓隨輸出負載的變化而變化，通常，當(dāng)主輸出滿載和輔助輸出輕載時，輔助輸出電壓將升高，而當(dāng)主輸出輕載和輔助輸出滿時，輔助輸出電壓將降低，這就是多路輸出的負載交叉調(diào)整率問題，筆者基于 TOPSwitch-GX系列設(shè)計了一種多路輸出開關(guān)電源，很好的解決了多路輸出的負載交叉調(diào)整率問題，該電源在各種工況下都能穩(wěn)定輸出，主輸出電壓紋波小于3%，各路輔助輸出紋波小于5%，負載交叉調(diào)整率小于5%，在交流伺服系統(tǒng)中，該電源給系統(tǒng)控制部分部及功率部分供電，開關(guān)電源的性能直接影響到交流伺服系統(tǒng)的伺服特性，如何設(shè)計一個穩(wěn)定性能好、交叉調(diào)整率小、電壓紋波小的開關(guān)電源是一個急需解決的問題。

2 TOPSwitch-GX系列簡介

2.1 與TOPSwitch-FX的性能比較

    TOPSwitch系列單片機開關(guān)電源是美國功率集成公司于上世紀(jì)90年代中期推出的新型高頻開關(guān)電源，它是三端離線式PWM開關(guān)的英文縮寫（Three Terminal Off Line PWM Switch）被譽為“頂級開關(guān)電源”。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。 TOPSwitch-GX是該公司推出的第四代系列產(chǎn)品，除具備TOPSwitch-FX系列的全部優(yōu)點外，它還將最大輸出功率從75W提高到290W，適合構(gòu)成大中功率的高效率，隔離式開關(guān)電源；將開關(guān)頻率提高到132KHz，有助于減小高頻變壓器及整個開關(guān)電源的體積，適合作為伺服電機控制板的板載電源的主控器件，當(dāng)開關(guān)電源負載很輕時，它能自動將開關(guān)頻率從132KHz降低到30KHz（在半頻模式下，則由66KHz降到15KHz）,可降低開關(guān)損耗，進一步提高電源效率，采用被稱作EcoSmart的節(jié)能新技術(shù)，顯著降低了在遠程通/斷模式下的功耗，當(dāng)輸入交流電壓是230V時，功耗僅為 160mW。

2.2 TOPSwitch-GX的工作原理

    TOPSwitch-GX的內(nèi)部主要由18個部分組成，與第三代TOPSwitch-FX系列的主要區(qū)別是在該系列的基礎(chǔ)上作了一些改進，在原有的 5個組成部分上新增加了3個單元電路，電流極限調(diào)節(jié)器也增加了軟啟動輸出端；將頻率抖動振蕩器產(chǎn)生的開關(guān)頻率提升到132KHz（全頻模式）或66KHz （半頻模式）；給頻率抖動振蕩器增加了一個“停止邏輯”（STOP LOGIC）電路，使只工作更為可靠。TOPSwitch-GX利用反饋電流Ic來調(diào)節(jié)占空比D，達到穩(wěn)壓目的，當(dāng)輸出電壓U0降低時，經(jīng)過光耦反饋電路使反饋電流Ic減小，占空比則增大，輸出電壓隨之升高，最終使U0維持不變，同理，當(dāng)輸出電壓Uo升高時，通過內(nèi)部調(diào)節(jié)，也能使U0維持不變。

3 電源主電路設(shè)計方案

3.1控制板和功率板電源需求

    電源是為交流伺服系統(tǒng)的控制板和功率板供電的，并以板載電源的形式作為控制板和功率板組成的一部分，系統(tǒng)對板載電源的要求是電壓紋波小于5%，多路輸出電壓交叉調(diào)整率低于5%，在各種工況下能穩(wěn)定輸出，滿足系統(tǒng)的供電需求，控制板和功率板電源地之間相互隔離，避免電磁干，要求電源能軟啟動，避免瞬間高壓對系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響，根據(jù)系統(tǒng)要求，設(shè)計的多路輸出板載電源的各路輸出電壓，電流及作用如表1所示，其中+5V與+15V二路輸出共地，+3.3V無與+5V二路輸出共地，兩組地彼此是相互電氣隔離的。

3.2 電源主電路

    板載電源主電路如圖1所示。電源采用單端反激式拓撲結(jié)構(gòu)，選用TOPSwitch-GX系列電路，當(dāng)電源輸入電流85V-265V時，交流電壓U依次經(jīng)過電磁干擾（EMI）濾波器、輸入整流濾波器和系列軟啟動電路得到直流高壓DCP，DCP經(jīng)過R68接L端，能使極限電流隨DCP升高而降低，使用箝位二極管和阻斷二極管D1替代價格較高的TVS(瞬態(tài)電壓抑制器）,用于吸收在TOP244Y關(guān)段時高頻變壓器漏感產(chǎn)生的尖峰電壓，對漏極起到保護作用，次級電壓經(jīng)整流、濾波后變?yōu)槎嗦份敵觯渲?5V電源輸出和輔助輸出用的是快速恢復(fù)二極管，其他輸出用的是肖特基二極管，其目的是減少整流管的損耗。

    該電源電路采用了TOP244Y、PC817型光電耦合器及LMV431A型可調(diào)試精密并聯(lián)穩(wěn)壓管，為減小高頻變壓器體積和增強磁場耦合程度，次級繞組采用了堆疊式繞法。LMV431A的內(nèi)部參考電壓為2.495V，輸出電壓經(jīng)電位器和R65分壓，可調(diào)電壓2.5V（基準(zhǔn)值）至37V（最大值）之間，R66和C75構(gòu)成LMV431A的頻率補償網(wǎng)絡(luò)。除3.3V主輸出外，其余各路輸出未加反饋，輸出電壓均由高頻變壓器的匝數(shù)比決定，另外，為了盡可能減少電磁干擾，在開關(guān)電源的輸出側(cè)接入共模扼流圈，以改善電磁噪聲。

3.3 多路輸出交叉調(diào)整率

    對于多路輸出，如果要求每路輸出電壓均具有高精度，則煤爐都應(yīng)有獨立的閉環(huán)穩(wěn)壓回路，如果只有一路輸出是重負載，其他路輸出的副載較輕，對于輸出電壓精度要求不是很嚴(yán)格，則只需給重負載所在的回路加反饋控制回路.本模塊的4路輸出中，由于+3.3V輸出是最重要的負載，輸出電流（最大3A），+ 5V、+5V（HVDD）+ 15V是集成電路的電源，允許電壓在10%的范圍變化，電流較小，所以只在+3.3V輸出回路采用閉環(huán)穩(wěn)壓電路。在+5V、+5V（HVDD）、+15V 所在回路7805型和7815型集成穩(wěn)壓器，由于反激式變壓器本身就是耦合電感，所以采用這種高頻反激式拓撲結(jié)構(gòu)的變壓器就能改善多路輸出交叉調(diào)整率。

    在這種開關(guān)電源的設(shè)計過程中，由于高頻變壓器參數(shù)對開關(guān)電源的性能影響很大，所以高頻變壓器的設(shè)計是很重要的，對于多路輸出電源，其輸出阻抗直接決定輸出電壓的變化，輸出阻抗與各輸出繞組間的漏感成正比，而初、次級繞組的耦合程度對輸出阻抗也有很大影響，所以設(shè)計多路輸出高頻變壓器要使各輸出繞組間緊密耦合，且輸出電流變化范圍大的繞組（主輸出繞組）與初級繞組要耦合得最好，以利于提高交叉調(diào)整率，通過實驗與分析，對本系統(tǒng)中采用的變壓器，繞組的最佳繞制順序為先繞原邊的一半，再繞副邊繞組，最后繞原邊的另外一半和偏置繞組。

    漏感會導(dǎo)致變壓器電壓的尖峰，對于反激變壓器，該尖峰直接引起輔助輸出輕載時輸出電壓的攀升。如果能保持箝位電壓的大小略高于次級反射電壓，則多路輸出反激式開關(guān)電源的交叉調(diào)整率能得到極大的改進，這里采用在變壓器原邊并聯(lián)由一個箝位二極管和一個快恢復(fù)二極管構(gòu)成的箝位電路的方法，這個箝位電路能限制尖峰電壓攀升并吸收尖峰電壓的能量，次級反射電壓為135V，采用200V的P6KE型箝位二極管和FR1107型快恢復(fù)二極管。

    采取上述措施后，多路輸出電壓的交叉調(diào)整率得到極大的改善，主輸出電壓紋波小于3%，各路輔助輸出電壓紋波小于5%，負載交叉調(diào)整率小于5%。

3.4 高頻變壓器的設(shè)計

    單端反激式高頻開關(guān)變壓器是開關(guān)電源的關(guān)鍵，這種變壓器實質(zhì)上是一個耦合電感器，它要具有著儲能、變壓、傳遞能量等功能，筆者采用面積乘積法來設(shè)計高頻變壓器。

3.4.1 設(shè)計已知參數(shù)

    這些參數(shù)由設(shè)計人員根據(jù)用戶需求和電路的特點確定，包括輸入電壓Vin、輸出電壓Vout、每路輸出的功率Pout、效率η、開關(guān)頻率fs（或周期T），線路主開關(guān)管的耐壓Vmos。

3.4.2 設(shè)計原理

    在反激式變換器中，副邊反射電壓即反激電壓Vf與輸入電壓之和不能高于主開關(guān)管的耐壓，同時還要留有一定的裕量（此處假設(shè)為150V），反激電壓由下式確定：

    Vf=Vmos-VinDCMax-150V （1）

    式中，VinDCMax為變壓器前端入的最小直流電壓。

    確定了反激電壓之后，就可以由式（2）確定原、副邊的匝比，即

    Np/Ns=Vf/Vout （2）

    式中，Np為原邊繞組匝數(shù)，為副邊繞組匝數(shù)。

    反激式電源的最大占空比DMax出現(xiàn)在最低輸入電壓、最大輸出功率的狀態(tài)下，根據(jù)穩(wěn)態(tài)下變壓器的磁平衡式可求出Dmax，即

    VinDCMaxDMax=Vf（1-Dmax） （3）

    設(shè)在最大占空比時，當(dāng)開關(guān)管開通時，原邊電流為Ip1；當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，原邊電流上升到縫制電流Ip2。若Ip1為0，則說明變壓器工作在斷續(xù)模式，否則工作在連續(xù)模式，由能量守恒定律可以得到下式：

    1/2（Ip1+Ip2）DMaxVinDCMax=Pout/η （4）

    在一般連續(xù)模式設(shè)計中，令I(lǐng)p2=3Ip1，這樣就可以求出變壓器的原邊電流，由下式可以得到原邊電感量Lp：

    Lp=DMaxVinDCMax/fsΔIp （5）

    對于連續(xù)模式，ΔIp=Ip2-Ip1=2Ip1；對于斷續(xù)模式，ΔIp=Ip2。

    可由面積乘積AwAe法根據(jù)式（6）求出所要求的鐵芯：
 

    在上式中，Aw為磁芯窗口面積，Ae為磁芯截面積，Bw為磁芯工作磁感應(yīng)強度，K0為窗口有效使用系數(shù)，根據(jù)安規(guī)的要求和輸出路數(shù)決定，一般為0.2-0.4，Kj為電流密度系數(shù)，一般取395A/cm2。

    根據(jù)求得的AwAe值選擇合適的磁芯，一般盡量選擇窗口長寬比較大的磁芯，這樣磁芯的窗口有效使用系數(shù)較高，同時可以減小漏感。

    磁芯確定后就可以根據(jù)下式求出原邊的匝數(shù)：

    Np=LpIp2104/BwAe （7）

    再根據(jù)原邊與副邊的匝比關(guān)系求出副邊的匝數(shù)，有時求的匝數(shù)不是整數(shù)，這時應(yīng)該調(diào)整某些參數(shù)，使原邊和副邊的匝數(shù)合適。

    為了避免磁芯飽和，應(yīng)該在磁回路中加入一個適當(dāng)?shù)臍庀秎g，其值由下式計算：

    lg=0.4πNp2Ae10-8/Lp （8）

    至此，單端反激開關(guān)電源變壓器的主要參數(shù)已經(jīng)確定，在設(shè)計完成后還要核算窗口面積是否夠大，變壓器的損耗和溫升是否滿足要求。

3.5 設(shè)計結(jié)果

    在本電源系統(tǒng)中已知的參數(shù)為輸入電流電壓85：265V，η取0.8（由經(jīng)驗定），fs=132KHz，Vmox=700V。

    電路采用斷續(xù)工作方式，經(jīng)過反復(fù)計算與實驗，設(shè)計的高頻變壓器的主要參數(shù)如下：

    原邊電感量Lp=390μH；磁芯采用E125的鐵氧體磁芯；原副邊繞組Np=63，Ns1=2，Ns2=2，Ns3=3，Ns4=9，NB=7；繞組采用夾心繞法，其中，原邊繞組與副邊繞組之間用3層尼龍絕緣材料絕緣，副邊繞組各層之間用一層絕緣，由于副邊繞組的電流較大，考慮到電流的趨膚效應(yīng)，所以副邊繞組采用了多股并繞。

4 實驗數(shù)據(jù)及結(jié)論

    （1）電壓調(diào)整率：在額定負載情況下，當(dāng)輸入交流電壓在85VAC-256VAC變化時，實測電路的電壓調(diào)整率如表2所示。

    （2）交叉調(diào)整率：在額定輸入電壓下（220VAC），當(dāng)負載在額定值的10%-100%變化時，實測電路的交叉調(diào)整率如表3所示。

    （3）負載調(diào)整率：在額定輸入電壓下（220VAC），當(dāng)負載在額定值的10%-100%變化時，實測電路的負載調(diào)整率與交叉調(diào)整率一樣。

    （4）效率：在額定輸入電壓及額定負載情況下，實測電路的效率η=84%。

    在額定輸入電壓及額定負載情況下，整個伺服系統(tǒng)能穩(wěn)定運行，測出的電源主輸出如圖2所示，測量時實現(xiàn)了10倍的衰減，從圖2可以看出，當(dāng)系統(tǒng)正常工作時，紋波峰值電壓為0.06V，紋波小于3%，該電源作為伺服系統(tǒng)的輔助電源，在門極伺服系統(tǒng)和主軸伺服系統(tǒng)已得到實際應(yīng)用，工作可靠。
 
    TOPSwitch-GX系列單片開關(guān)電源具有單片集成化、外圍電路簡單、性能指標(biāo)最佳、無工頻變壓器、能完全實現(xiàn)電氣隔離等顯著特點，極大簡化 150W以下開關(guān)電源的設(shè)計和新產(chǎn)品的開發(fā)，能大大縮短開關(guān)電源的開發(fā)周期。多路輸出電源被廣泛應(yīng)用于電機控制系統(tǒng)和其他電力電子設(shè)備中作為輔助電源，設(shè)計的多路輸出電源經(jīng)實際應(yīng)用證明是可靠的，稍加改動就可應(yīng)用在其他控制系統(tǒng)和電路中。