多路输出单端反激式开关电源设计

1、多路输出单端反激式开关电源设计杨立杰(北京工业大学电控学院北京100022摘要:在阐述了基于TOPSwitch 系列芯片设计的单片反激式开关电源原理的基础上, 详细介绍了一种用于智能仪表小功率多输出AC/DC 开关电源的设计方法。该电源主电路采用反激式电路, 的稳定输出。最后, 给出了实验结果。试验表明, 。关键词:开关电源; 反激式电路; 高频变压器; 脉宽调制;AC/DC中图分类号:TN702文献标识码-04Design of -Export and R everse Excitation AC/DC ModuleYAN G Lijie(College of Elect ronic &Co

2、nt rol Engineering ,Beijing University of Technology ,Beijing ,100022,China Abstract :The paper introduces the principle of reverse excitation circuit applied for switching power supply. And the de 2sign idea is presented for the power supply of 10W multi -terminal export AC/DC module for intelligen

3、t instrument. The re 2verse excitation circuit is applied for the power circuit. We get static outputs by using the methods of feedback and pulse -width modulation. At last ,we show the result of the experiment. This power supply features excellent performance.K eywords :switching power supply ; rev

4、erse excitation circuit ; high f requency transformer ; pulse -width modulation ; AC/DC收稿日期:2006-07-27开关电源被誉为高效节能型电源, 他代表着稳压电源的发展方向, 现已成为稳压电源的主流产品。随着现代科技的高速发展, 功率器件的不断完善、更新, PWM 技术的发展日趋完善, 开关电源正朝着短、小、轻、薄的方向发展。本文介绍了一种基于TOPSwit h 系列芯片设计的小功率多路输出的AC/DC 开关电源的原理及设计方法。1设计要求新设计的这个开关电源将作为智能仪表的供电电源, 最大功率为10W

5、。为了减少PCB 板的数量和智能仪表的体积, 要求电源设计尺寸尽量小并能将电源部分与仪表主控部分做在同一个PCB 上。考虑10W 的功率以及小体积的因素, 电路选用单端反激电路。单端反激电路的特点是:电路简单, 设计体积小巧且成本低。单端反激电路由输入滤波电路、脉宽调制电路、功率传递电路(由开关管和变压器组成 、输出整流滤波电路、误差检测电路(由芯片TL431及周围元件组成 及信号传递电路(由隔离光耦及电阻组成 等组成。本电源设计成表面贴装的模块电源, 其具体参数要求如下:输出最大功率:10W ; 输入交流电压:85265V ;输出直流电压电流:+5V ,500mA ; +12V ,150mA

6、 ;+24V ,100mA ;纹波电压:120mV 。2单端反激式开关电源的控制原理所谓单端是指TOPSwitch -系列器件只有一个脉冲调制信号功率输出端-漏极D 。反激式则指当功率MOSFET 导通时, 就将电能储存在高频变压器的初级绕组上, 仅当MOSFET 关断时, 才向次级输送电能, 由于开关频率高达100k Hz , 使得高频变压器能够快速存储、释放能量, 经高频整流滤波后即可获得直流连续输出。这也是反激式电路的基本工作原理。而反馈回路通过控制TOPSwitch 器件的控制端的电流来调节占空比以达到稳压的目的。3TOPSwitch -系列芯片选型及介绍TOPSwitch -系列内部

7、主要包括10部分, 分别是控制电压源、带息基准电压源、振荡器、并联调整器/误差放大器、脉宽调制器、门驱动级和输出级、过电流保护电路、过热保护及上电复位电路、关断/自动重启电路、高压电流源。他的引脚排列有3种封装形式, 如图1所示。其中,TO -220封装自带小散热片, 属典型的三端器件, 其外形32 于7800系列稳压器相同。DIP 28封装及SMD 28封装各有8个引脚, 但均可简化为3个。二者区别是DIP 28可配8脚IC 插座,SMD 28则为表面贴片,不需打孔焊接。 图1TOPSwitch 漏极(D 相连, , 在 供内部偏置电流, 并设有电流检测。控制极(C 用于占空比控制的误差放大

8、器和反馈电流的输入脚, 与内部并联稳压器连接, 提供正常工作时的内部偏置电流, 同时也是提供旁路、自动重起和补偿功能的电容连接点。源极(S 与高压功率回路的MOSFET 的源极相连, 兼做初级电路的公共点与参考点。内部输出极MOSFET 的占空比随控制脚电流的增加而线性下降, 控制电压的典型值为5. 7V , 极限电压为9V , 控制端最大允许电流100mA 。在设计芯片时还对阈值电压采取了温度补偿措施, 以消除因漏源导通电阻随温度变化而引起的漏极电流的变化。当芯片结温大于135时, 过热保护电路就输出高电平, 关断输出极. 此时控制电压V c 进入滞后调节模式,V c 端波形也变成幅度为4.

9、 75. 7V 的锯齿波。若要重新启动电路, 需断电后再接通电路开关, 或者将V c 降至3. 3V 以下, 再利用上电复位电路将内部触发器置零, 使MOSFET 恢复正常工作。采用TOPSwitch -系列设计单片开关电源时所需外接元器件少, 而且器件对电路板布局以及输入总线瞬变的敏感性大大减少, 故设计十分方便, 性能稳定, 性价比更高。该系列产品分类及最大输出功率如表1所示。对于芯片的选择主要考虑输入电压和功率。由设计要求可知, 输入电压为宽范围输入, 输出功率不大于10W , 故选择TOP222G 。4电路设计本开关电源的原理图如图2所示。4. 1主电路设计电源主电路为反激式, C 1

10、, L 1, C 2接在交流电源进线端, 用于滤除电网干扰, C 5接在高压和地之间, 用于滤除高频变压器初、次级后和电容产生的共模干扰, 在国际标准中被称为“Y 电容”。C 1跟C 5都称作安全电容, 但C 1专门滤除电网线之间的串模干扰, 被称为“X 电容”。表1T OPSwitch 系列输出功率对照表TO -220封装(Y DIP -8封装(P SMD -8封装(G 产品型号固定输入宽范围输入产品型号固定输入宽范围输入TOP221Y 127G 96Y 2515G 1510G 2515TOP224P/G3020图2开关电源原理图为承受可能从电网线窜入的电击, 在交流端并联一只标称电压U I

11、 mA 为275V 的压敏电阻VSR 。鉴于在功率MOSFET 关断的瞬间, 高频变压器的漏感产生尖峰电压U L , 另外在原边上会产生感应反向电动势U OR , 二者叠加在直流输入电压上。典型的情况下, 交流输入电压经整流桥整流后最高电压U I max =380V , U L 165V , U OR =135V , 则U OR +U L +U OR 680V 。这就要求功率MOSFET 至少能承受700V 的高压, 同时还必须在漏极增加钳位电路, 用以吸收尖峰电压, 保护TOP222G 中的功率MOSFET 。本电源的钳位电路由D 2, D 3组成。其中D 2为瞬态电压抑制器(TVS P6K

12、E200, D 3为超快恢复二极管U F4005。当MOSFET 导通时, 原边电压迹象上端为正, 下端为负, 使得D 3截止, 钳位电路不起作用。当MOSFET 截止瞬间, 原边电压变为下端为正, 上端为负,此时D 1导通, 电压被限制在200V 左右。4. 2输出环节设计以+5V 输出环节为例, 次级线圈上的高频电压经过42 U F5401型100V/3A 的超快恢复二极管D 7, 由于+5V输出功率相对较大, 于是增加了后级L C 滤波器, 以减少输出纹波电压。滤波电感L 2选用被称作“磁珠”的3. 3穿心电感, 可滤除D 7在反向恢复过程中产生的开关噪声。对于其他两路输出, 只在输出端

13、分别加以滤波电容。其中R 3, R 4分别为输出的假负载, 他们能降低各自输出端的空载和轻载电压。4. 3反馈环节设计反馈回路主要由PC817和TL431及若干电容、电阻构成。其中U 2为TL431, 他为可调试精密并联稳压器, 利用电阻R 5, R 6分压获得基准电压值。通过调节R 5, R 6的值可以调节输出电压的稳压值。C 8为TL431可以提高TL4317, =22F 时可增加, 本身已有的10ms 14ms 。U 3为PC817型线形光耦合器, 其电流传输比(CTR 范围为80%160%, 能够较好的满足反馈回路的设计要求, 而目前国内常用的4N25,4N26型光耦合器属于非线性光耦

14、合器, 不宜采用。反馈绕组上产生的电压经D 4, C 9整流滤波, 获得非隔离式+12V 输出, 为PC817接受管的集电极供电。由于反馈绕组输出电流较小, 次级采用D 4硅高速开关管1N4148。光耦PC817能将+5V 输出与电网隔离, 其发射极电流送至TOP222G 的控制端, 用来调节占空比。C 3为控制端旁路电容, 他能对控制回路进行补偿并设定自动重启频率。当C 3=47F 时, 自动重启频率为1. 2Hz , 即每隔0. 83s 检测一次调节失控故障是否已经被排除, 若确认已被排除, 就自动重启开关电源恢复正常工作。R 2为PC817中L ED 的外部限流电阻。实际上除了限流保护作

15、用外, 他对控制回路的增益也具有重要影响。当R 2改变时, 会依次影响到下列参数值:I F I C D U O , 也就相当于改变了控制回路的电流放大倍数。下面简要分析一下反馈回路实现稳压的工作原理。当输出电压U O 发生波动且变化量为U O 时, 通过取样电阻R 5, R 6分压后, 就使TL431的输出电压U K 也产生相应的变化, 进而使PC817中L ED 的工作电流I F 改变, 最后通过控制端电流I C 的变化两来调节占空比D , 使U O 产生相反的变化, 从而抵消U O 的波动。上述稳压过程可归纳为:U O U K I F I C D U O 最终使U O 不变。其余各路输出未

16、加反馈, 输出电压均有高频变压器的匝数来确定。4. 4变压器设计变压器的设计计算是整个电源设计的关键, 他的设计好坏直接影响电源性能。4. 4. 1磁芯及骨架的确定由文献2可以查出, 当P O =10W 时可供选择的铁氧体磁芯型号。由于选用漆包线绕制, 而且EE 型磁芯的价格低廉, 磁损耗低且适应性强, 故选择EE22, 其磁芯长度A =22mm 。从厂家提供的磁芯产品手册中可查得磁芯有效横截面积S J =0. 41cm 2, 有效磁路长度L =3. 96cm , 磁芯等效电感A L =2. 4H/匝2, 骨架宽度b =8. 43mm 。4. 4. 2确定最大占空比D max:D =I min

17、 U DS (ON 100%(1:OR =135V , 直流输入最小电压值U I min =90V ,MOSFET 的漏-源导通电压U DS (ON =10V , 代入上式得:D max =64. 3%, 接近典型值67%。D max 随着输入电压的升高而减小。4. 4. 3计算初级线圈中的电流(单位均为A 输入电流的平均值I AV G :I AV G =U I min =0. 8900. 14(2初级峰值电流I P :I P =(1-0. 5K RP D max(3其中K RP 为初级纹波电流I R 与初级峰值电流I P 的比值, 当电压为宽范围输入时, 可取0. 9。将D max =64.

18、 3%代入得, I P =0. 518A 。4. 4. 4确定初级绕组电感L PL P =6I 2P K RP (1-2f(4其中, 损耗分配系数Z =0. 5, I P =0. 518A , K RP =0. 4, P O =10W 代入得:L P 1265H 。4. 4. 5确定绕组绕制方法并计算各绕组的匝数初级绕组的匝数N P 可以通过下式计算:N P=6S J B M(5其中, 磁芯截面积S J =0. 41cm 2, 磁芯最大磁通密度B M =60, I P =0. 518A , L P 1265H 代入可得N P =26. 6, 实取30匝。次级绕组采用堆叠式绕法, 这也是变压器生

19、产厂家经常采用的方法。其特点是由5V 绕组给12V 绕组提供部分匝数, 而24V 绕组中则包含了5V ,12V 的绕组和新增加的匝数。堆叠式绕法技术先进, 不仅可以节省导线, 减小线圈体积, 还可以增加绕组之间的互感量, 加强耦合程度。以本电源为例, 当5V 输出满载而12V 和24V 输出轻载时, 由于5V 绕组兼作12V ,24V 绕组的一部分, 因52 此能减小这些绕组的漏感, 可以避免因漏感使12V ,24V 输出电路中的滤波电容被尖峰电压充电到峰值, 即产生所谓的峰值充电效应。从而引起输出电压不稳定。这里将5V 绕组作为次级的始端。对于多输出高频变压器各输出绕组的匝数可以取相同的“每

20、伏匝数”。每伏匝数n 0可以由下式确定:n 0=U O1+U F 1(6其单位是“匝/V ”。将N S 取5匝, U O1=5V , U F 1=0. 4V(肖特基整流管导通压降 代入上式得到n 0=0. 925匝/V 。对于24V 输出, 已知U O2=24V , U F 2=0. 4V , 则该路输出绕组匝数为N S 2=0. 925匝/V (24+4V 22. 57匝, 实取22匝。对于12V 输出O3=F 2=4, 输出绕组匝数为N S 2匝/V (12V +0. 4V =11. 47匝, 实取11匝。对于反馈绕组, 已知U F =12V , U F 3=0. 7V (硅快速恢复整流二

21、极管导通压降 , 则该路输出绕组匝数为N S 2=0. 925匝/V (12V +0. 4V =11. 47匝, 实取11匝。4. 4. 6确定初、次级导线的内径首先根据初级层数d , 骨架宽度b 和安全边距M , 利用下式计算有效骨架宽度b E (单位是mm :b E =d (b -2M (7将d =2, b =8. 43mm , M =0代入上式可得:b E =16. 86mm在利用下式计算初级导线的外径(带绝缘层 D PM :D P M =b E /N P(8将b E =16. 86mm , N P =78匝代入得D PM =0. 31mm , 扣除漆皮厚度后, 裸导线内径D PM =0. 26mm 。与直径0. 26mm 接近的公制线规为0. 28mm , 比0. 26mm 略粗完全可以满足要求, 而0. 25mm 的公制线规稍细, 不宜选用。而次级绕组选用与初级相同的导线, 根据电流的大小, 采用多股并绕的方法绕制。4. 5试验数据该开关电源的输入特性数据见表2, 在u =85245V 的宽范围内变化时, 主路输出U O1=5V (负载为65 的电压调整率S V =0. 2%, 输出纹波电压最大值约为67mV ; 辅助输出U O2=24V (负载为