新型单片开关电源的设计

1、新型单片开关电源的设计慕政平(陕西省电子产品监督检验所陕西西安710004摘要:介绍了反激式变换器的基本设计规则,同时以西门子TDA 1683x 系列电流型单片开关电源为例,介绍一种新型单片开关电源的原理和设计,该电源具有外围电路简单、温度范围宽的特点。实验结果表明该电源工作可靠、性能优良、可广泛应用于可靠性要求较高的电力电子系统中。关键词:反激式变换器;单片开关电源;TDA 1683x ;外围电路中图分类号:T P 303+13文献标识码:B 文章编号:1004373X (20051310502D esign of New Type Si ngle Ch ip Sw itch i ng Po

2、wer SupplyM U Zhengp ing(Shaanxi E lectronic Institute of Supervisi on ,X i an ,710004,Ch ina Abs tra c t :T h is paper in troduces the basic ru le of the backw ard converter ,p resen ts the p rinci p le ,design m ethod and experi m en ta 2ti on resu lt of a new pattern single ch i p s w itch ing po

3、w er supp ly by a system m ade of TDA 1683x ,a series of electric cu rren t single ch i p s w itch ing pow er supp ly p roduced by S IE M EN S company 1T he s w itch ing pow er supp ly has the virtue of si m p le peri pheral and w ide range of temperatu re 1T he experi m en t resu lt has p roved its

4、 h igh reliab ility and quality ,so it can be w idely u sed in pow er electron ics system 1Ke yw o rds :backw ard converter ;single ch i p s w itch ing pow er supp ly ;TDA 1683x ;peri pheral circu it收稿日期:200504281概述反激式变换器原理如图1所示,由于电路简单,且能高效提供直流输出,对多组输出特别有效,因此广泛用于电力电子的内部电源。图1反激式变换器原理在反激式变换器中,一般有2种工作模

5、式:完全能量转换型(电感电流不连续和不完全能量转换型(电感电流连续方式。这两种工作方式的小信号传递函数是极不相同的,动态分析时要做不同处理。当变换器输入电压在一个较大范围内发生变化,或负载在较大范围变化时,必然跨越两种工作方式。因此反激式变换器常要求能在完全和不完全能量转换方式下稳定工作。本文介绍的TDA 1683x 是一种电流型I C ,因此当用于反激式变换器中时,可以使能量完全转换方式的许多设计问题简化。在不完全能量转换方式中,由于传递函数“右半平面零点”,在高频段引入180°相位改变,则电流方式控制不能消除固有不稳定问题,这就要求控制环增益偏离低频段,并要求能降低瞬态响应速度,

6、这些都要通过调整P I D 常数来实现。同时,能量不完全传递型的传递函数带有低输出阻抗的两个极点系统,输出负载加大时,脉宽仅需轻微增加即可,可以使输出的负载能力增强。在设计过程中,恰当掌握磁性参数,可使电源工作在较大动态范围内。在采用不完全能量传递方式时,由于出现直流分量,需加气隙以便增加其动态范围,增加其输出功率。同时在设计时选小的B ,从而可以降低损耗,提高电源的稳定性。一般设变压器传递功率可用下式表示:P =f V eB wB rH d B =12L P (I 2P 2-I 2P 1其中:V e 表示磁体体积;L P 表示气隙长度;I 2P 1,I 2P 2为导通周期始、末的瞬时电流值。

7、显然气隙的存在提高了传递的功率(图2阴影部分。值得注意的是,增加气隙对由于负载引起的磁饱和有明显的抑制作用,但对于因输入电压过高和 或开关频率过低引起的磁饱和是无用的。总之,外加的伏秒值、匝数和磁芯面积决定了B 轴上的B ac ,直流的平均电流值、匝数和磁路长度决定了H 轴上H ac 值的位置。为了防止磁饱和,必须有足够的线圈数和磁芯面积来平衡外加的伏秒值,必须有足够的气隙来平衡现代电子技术2005年第13期总第204期电子技术应用直流电成分, 这在变压器设计中是非常重要的。图2变压器磁化曲线及传递能量在实际设计中,通过改变初级电感和调整气隙大小来选择能量传递方式。经验证明,一个合适的气隙可以

8、使电流瞬时值、效率、噪音都比较合适。气隙的确定,除计算外,还需实际调整,使上述指标达到最佳。2工作原理S IEM EN S 公司最新推出的TDA 1683x 系列电流型单片开关电源,具有体积小、外围电路简单、温度范围宽的特点,很适用于逆变电源、变频器等电力电子设备的工作电源。这种电流型控制器件工作原理如图3所示。流经M O S 管电流的大小和一个给定电压值进行比较,其输出确定了M O S 管的导通时间,其中输出电压和给定电压相关。为了简化外部电路,M O S 管的电流检测电阻直接集成在I C 内部。同时,确定单片电源频率的振荡电阻和电容,也集成于I C 内。为了尽量降低温度对芯片工作的影响,采

9、取了专门的温度补偿措施,并尽量降低电阻的误差。图3TDA 168319系列电流型单片开关电源工作原理下面,以TDA 16833为例分析其内部结构的功能。启动电路(UVLO 该部分接于外部V CC 端。当V CC电压高于固定的开通门限电压时,UVLO 工作,bias 电路和软启动电路闭合。一旦V CC 电压低于关闭门限电压时,则电路关闭。此时电路的电流消耗被限制到最小。电流源(bias 该电路给内部提供一个恒定的电流,用以限流和定时、软启动等。软启动(so sta 此功能只限于TDA 16836 7。当芯片起振后,在软启动电容电压上升过程后,M O S 管的导通时间逐步增加,避免了M O S 管

10、导通时间瞬时增至最大带来的不良影响,例如防止功率变压器电流饱和,限制输出滤波电容形成的浪涌电流以及输出的瞬时过冲电压等。特别是芯片的供电是由功率变压器辅助绕组提供时,输出的过冲电压造成的影响会很大。这时,当输出功率较大时,变压器产生的过冲电压往往会超过V CC 的最高允许值。振荡器(o se 该部分有一个分频触发器,该触发器可以将振荡频率降至一半,形成开关频率。同时,他能使最大占空比D max =015。必要时,可利用辅助电路,使D m ax =0175。误差放大器(pwmop 放大进入的M O S 电流信号,并将其转换成电压。一般情况下,当对M O S 管进行斩波操作时,会在电流信号前形成一

11、个尖峰脉冲,从而使比较结果失效,这点在轻负载时尤为显著。该放大器提供了前沿消隐功能,实际电流信号经过外部偏置而限制了这种现象。比较器(comparato r 该比较器把被放大了的M O S 管电流信号pwm rmp 和由V out 来的参考信号pwm I N 进行比较。当电流信号大于参考信号时,M O S 管关闭。图中还有一个辅助比较器,设置了非常低的门限电压,用来实现0%占空比。逻辑控制(log pwm 该电路由一个R S 触发器和一个与非门组成。该部分控制着M O S 管的导通与关断。使M O S 管导通的条件是使下面诸条件全部成立:软启动开始,pwm I N 信号超过最低门限,pwm I

12、 N 信号高于pwm rmp ,过电流关闭无效,过热关闭无效,以及t f f 电路输出启动脉冲。使M O S 管关断的条件是使下面任一条件成立:超过pwm I N ,或者占空比超过015,或者pwm cs 超过I m ax ,或者硅片的温度超过T m ax ,或者UVLO 低于最低门限。R S 触发器的作用是确保在每一个周期内只进行一次开通操作。3专用驱动电源的设计S IEM EN S 的TDA 1683x 系列单片开关电源凭借其独到的性能,可应用于可靠性要求较高的电力电子驱动系统。下面针对IPM 模块(CTM series 电源的设计简介如下。311电路原理电路原理如图4所示。适用于3k W

13、 以下三相变频器(下转第110页电子技术慕政平:新型单片开关电源的设计以接受的错误隐藏结果。对于I VO P,V P内所有的M B的直流系数可以集中在一起用直流标志(DC M A R KER与交流系数分开传送。如果交流系数出现错误,可用DC覆盖整个M B。对于P VO P,V P内所有的M B的运动矢量(M V可以集中在一起用运动矢量标志(M V M A R KER残差图像的DCT系数分开传送。如果DCT系数出错,整个M B丢弃这些系数而用M V所指的参考图像代替。在将来3G网络中,开展移动通信和多媒体下载业务,特别是汽车电子这样的一个集群移动通信和多媒体环境,可用的实际带宽和传输多媒体数据的

14、稳定性和可靠性(容错和纠错性是关键,综合M PEG4的特点,高压缩率,但是保有极佳的音质和画质;存取灵活多样性,可以采用各种存储媒体,提高抗错误能力,空域和时域的可扩展性以及强健的纠错能力和容错能力;强大的多媒体功能。这些特点正好迎合汽车电子的移动通信系统和多媒体业务要求,M PEG4的低码率高压缩性使得可以适应车载移动通信系统在车快速移动时带宽变窄,容错和纠错性保障了传输的质量有稳定性和可靠性。强大的多媒体功能满足汽车电子多媒体业务的需求,比如通过多媒体无线接入,可以浏览网页、看新闻、阅读邮件、在线游戏等。4结语随着3G的发展和成熟,使得各种多媒体增值服务更加多样化成为可能,克服了第一代和第

15、二代服务内容单一,各种多媒体服务相关产业雨后春笋般的出现。在汽车电子这样一个特殊应用领域,基于3G的多媒体服务成为一个亮点,M PEG4具备低码率获得高质量,强大的多媒体支持和强大的抗错和纠错能力,在汽车电子移动通信和多媒体中应用,使得车载移动通信和多媒体服务不再是可望不可及。参考文献1余兆民,李晓飞,陈来春1M PEG标准及其应用M1北京:北京邮电大学出版社,200212M PEG4视频容错性及在3G中应用13M PEG4V ideo V erificati on M odel versi on1610ISO IECJTC1 SC29 W G11N3312M arch200014H1264a

16、nd M PEG4V ideo Comp ressi on V ideo Code fo rN ex t generati on M u lti m edia the Robert Go rdon U n iversi2 ty A berdeen U K15h ttp: www1ch inadvr1com A rticle_Special16h ttp: www1lium eiti1o rg7h ttp: www1mpeg41net8h ttp: www1m4if1o rg mpeg49M PEG4Comp ressed V ideo over the In ternet1D a peng W uPo lytechn ic U n iversity B rook lyn1999IEEE1作者简介潘秋菱博士,中兴通讯技术中心汽车电子项目经理。长期从事嵌入式系统,软件开发管理。肖乾友硕士,电子科技大学。研究方向为数字图像处理和数字信号处理。(上接第106页供电的要求。由于外围元件少、电路简单、可靠性很高,TDA16832本身无需散热器。图4变频空调开关电源电路原理图312硬件设计与调试逆变变压器:采用TO K I N专用于逆变器电源的I V T28P变压器,排列次序如图4所示。该变压器由于结构的特殊性,保障了各绕组间可承受1500V A C(1m