采用TOPSwitch-GX芯片的单端反激式开关电源的设计

・专题研究・杨卫刚采用TOPSwitch-GX芯片的单端反激式开关电源的设计211采用TOPSwitch-GX芯片的单端反激式开关电源的设计杨卫刚(南京南瑞自动控制有限公司江苏省南京市210003)【摘要】在水电厂自动化系统中,。本文简单阐述了采用TOPSwitch-GX,交直流220V输入,四路独立输出,额定功率50W,。【关键词】OPSwitch-GX芯片QT080概述在小功率的开关电源的设计中,单端反激式以其结构简单、外围器件少、高效节能而被广泛采用,而单端反激式中采用TOPSwitch-GX芯片会使设计更加简单容易。1交流输入EMI滤波整流部分电路原理图见图1。在快速瞬变、阻尼振荡、冲击(浪涌)、辐射抗扰度等实验中,EMI滤波器起着重要的作用。Y电容CY1-1、CY1-2与共模电感T1、T2构成共模噪声滤波器,用于滤除共模噪声。由于受到耐压实验时漏电流要小于5mA的限制,Y电容最大选择4700pF,再根据公式f=来计算共π2模电感T1、T2的值,如果对共模电感T1、T2体积要求不高,在保证有相同电感量的前提下,尽量选择体积大的磁芯,用较粗漆包线绕制,以减小铜损、发热,提高效率。RV1、RV2、RV3为压敏电阻,RV1、RV2抑制L、N对E出现的过电压,RV3抑制L、N之间出现的过电压,过电压值均选择540V或560V,要求其漏电流要小于15μA,以免耐压实验时漏电流>5mA。F1为延时型保险丝,需放在压敏电阻之后,防止其后电路短路引起电流过高。保护装置对电源输出短路故障的要求是,当输出短路故障排除后,电源输出电压不应自动恢复正常,而TOPSwitch-GX芯片是有自动重启的功能,所以可以选择保险丝的额定电流来满足以上要求。或者在输出整流电路中加入保险丝用以限制短路故障后电源不再重启。RT1为负温度系数热敏电阻,上电时可对电解电容CE1的冲击电流加以限制,并且防止保险丝F1过早损坏。R1、R2为CX2-1、CX2-2的放电电阻,以免在0.2～1s内电源重启动时电压和电流过冲。收稿日期:2006-08-28;改回日期:2006-09-04。水电厂自动化增刊总第110期2122006年10月图1电路原理图本电路未采用差模电感,而是取共模电感T1、T2电感量的0.5～2%(一般取1%)与X电容CX2-1、CX2-2组成差模噪声滤波器。由于绕制工艺以及其他各种因素导致共模电感T1、T2两个线圈电感量不可能完全相同,这就存在漏感,利用这个漏感当作差模电感。X电容一般选择0.047～0.22μF。可根据公式f=π2选择电容量或电感量的大小。本电路采用了两级LC低通滤波器构成的EMI滤波器。CE1为电解电容,选择电容量为2～3倍额定输出功率,单位为μF,在交直流220V输入时,耐压值选择400V。在电压突降短时中断和变化中,大容量的电解电容CE1对输出的连续性起到重要的作用。2变压器的设计磁芯材料的选择:由于本电路采用单端反激式的电路结构,变压器磁芯工作在第一象限,所以选择磁芯材料时要考虑饱和磁密Bs尽量要大,剩磁Bt尽量要小,以保证ΔB=Bs-Bt足够大,这样可以减小变压器原边绕组匝数。磁芯的居里温度尽量要大,以确保在长期高温满负荷工作时变・专题研究・杨卫刚采用TOPSwitch-GX芯片的单端反激式开关电源的设计213压器磁导率随温度变化不大,从而保证变压器正常工作。磁芯损耗Pc尽量要小,提高效率并且保证变压器工作时温升小于50℃。磁芯的工作频率要大于TOPSwitch-GX芯片的工作频率,并留有足够的裕量。磁芯型号的选择:在同等材料和体积的情况下,PQ(PM)型磁芯电感因数AL较大,所以本电路选择PQ(PM)型磁芯。匝数的确定:选择适当的变比,使输入电压在最低时仍有正常的输出电压Vo,此时占空比D),ton为TOPSwitch-GX芯片中MOSFET的导通时间,T为TOPSwitch-GX芯片工作周期时T间)最大,(,Vs(原边绕组(D=电压)最大)要保证变压器磁芯不饱和,本电路采用PQ(),AΨ=NPVdt=A0stonCP(Bs-B)(1)式中:NP为原边绕组匝数,()N再根据公式=NpVor(3)A(-r)(2)来计算副边绕组匝数,式中No为副边绕组匝数,Vor为反激电压,控制在120V左右为宜。Vo应反馈绕为输出额定电压加上输出整流二极管导通压降。多路输出副边绕组匝数都按公式(3)确定。组匝数也按公式(3)确定,反馈电压选择12V左右。在绕制变压器线圈时要注意:①传输功率大于30W的变压器,原边绕组最好采用三明治绕法,即原边绕组分两次绕制,第一层绕原边绕组匝数的一半,最后一层也绕原边绕组匝数的一半,中间层是输出绕组和反馈绕组。②每个绕组与骨架之间有2～4mm的端空距离,不同绕组间至少有三层绝缘胶带,以保证4000VAC的耐压,第一层原边绕组与第二层绕组之间要有一层铜箔屏蔽,铜箔连接原边高压端。③绕线引出端均加套管,以保证绝缘耐压。④浸渍、灌封,用来提高防潮性能、机械强度、抗电强度、传热和耐热能力。3TOPSwitch-GX芯片的外围设计(1)过压欠压保护。通过电阻R3可设置过压欠压值,流入TOPSwitch-GX芯片线路检测端LΩ,则有:UH=225μΩ=的电流为IL=50～225μA,根据公式U=IR,设置电阻R3=1.73MA×1.7MΩ=85V,即原边输入电压经整流桥整流后电压值小于85V或者大于382.5V,UL=50μA×1.7M382.5V时TOPSwitch-GX芯片将停止工作。(2)过流保护。TOPSwitch-GX芯片本身有内部电流检测,当电流超过其极限值ILIMIT,TOP2Switch-GX芯片将停止工作,起到过电流保护的作用。在外部也可以通过改变极限电流设定端X′′的流出电流IX来设定极限电流IL在X-S极之间接IMIT值,ILIMIT的设定范围是(30%～100%)ILIMIT。1只极限电流设定电阻R5,可设置流过TOPSwitch-GX芯片的最大电流,即流过原边绕组的最大电流,以免变压器磁芯饱和。另外通过R4来限制当原边绕组电压过高时的占空比,以免原边绕组电压较高,同时占空比又较高,原边绕组的伏秒积过大而导致变压器磁芯饱和。(3)反馈控制端C。TOPSwitch-GX芯片的控制端C接47μuF的电解电容,并串联1只6.2Ω水电厂自动化增刊总第110期2142006年10月的电阻,用以限流。C14是滤波电容,防止电压超过控制端C的极限电压(9V)。(4)漏极D钳位电路。TOPSwitch-GX芯片中MOSFET的漏极D采用了DZ1(TVS)、R6、C1钳位电路,选择DZ1的值要确保TOPSwitch-GX芯片中MOSFET的漏极D端的电压小于700V,以免损坏TOPSwitch-GX芯片中的MOSFET。R6、C1的选择要在TOPSwitch-GX芯片最大占空比时工作在不连续模式,即最大占空比时,在TOPSwitch-GX芯片关断期间,导通之前,C1要放电完毕,磁通密度要降到Br,以免变压器磁芯发生偏磁而饱和,在此前提下可尽量提高R6的值,减小电流值,减小损耗,提高效率。4输出整流滤波部分主输出(+5V)反馈采用了U5(TL431)与光耦U7(,0.5%,纹波可小于50mV。主输出(+5V)额定电流值是,提高了变压器窗口利用率,减小发热,提高效率。+、-+V)辅输出没有参与反馈,开环控制,由于反激纹波较大,L、L7915、L7824,改善了输出的精度,可控制在1～2%,完全取决于3。另外,要注意,在空间允许的情况下,尽量选择散热面积大的散热器。二极管D3、D4、D5用于防止输出端出现过压时三端稳压器被损坏。CE15并接于TL431的A、K极,用于电路软启动,防止电压过冲,同时可改变CE15的电容量来设置软启动时间,用以满足行标要求。主输出(+5V)采用了过压保护,用光耦U6来隔离,当主输出端电压超过稳压管DZ2的击穿电压,当电流足够大时,使得R14两端电压达到光耦U6中二极管正向导通电压,使光耦U6的4、6脚短接,即使TOPSwitch-GX芯片的控制端C与源极S短接,TOPSwitch-GX芯片将停止工作,等到输出端过压故障排除后,上电复位后才有正常的输出。输出端过电压保护值可通过选择稳压管DZ2的值来确定,行标要求不高于10%的额定输出电压。由于变压器骨架引脚数量不够多,辅输出+24V作为辫子引出。主输出(+5V)采用了MBRB2045CT整流管,导通电流20A,留有足够的裕量以减小发热。其余三路(+15V、-15V、+24V)辅输出采用了SF超快恢复二极管,反向恢复时间仅为35ns,有利于减小纹波。四路输出的滤波器均采用了LC滤波。输出滤波电感的选择,空间允许的情况下,尽量选择粗导线绕制,以减小发热,提高效率。通常电感量要求不高,因为反激式开关电源变压器的输出绕组也作为滤波电感,所以用磁棒就可以了。四路输出滤波电容的选择要确保电容的耐压值至少是输出额定电压的3倍,如果空间允许,电容量尽量大,以保证电压纹波小。LED1是电源主输出工作的指示灯,R8是限流电阻。5效率本电路在空载功耗大约在1W左右,注意在交流输入时计算空载功耗,不能简单的把输入电流有效值和输入端电压有效值的乘积来作为空载损耗,因为输入端的滤波电容和共模电感产生了无功功率,所以应该再乘以功率因数,可用功率计来测量交流输入时的空载功耗。满载时效率在75%左右,因为加了3个三端稳压器导致了效率偏低。如果+24V只对继电器线圈供电,因为继电器线圈工作电压范围很宽,可以去掉三端稳压器L7824,可以提高整体的效率。(下转第225页)・专题研究・周怀念贵州东风发电厂提高辅助控制设备可靠性总结225站地址设置为“1”、溢洪道PLC站地址设置为“2”、泄洪洞站PLC地址设置为“3”,并在各站通过concept2.5编程软件进行全局变量的定义,这样ModbusPlus现场控制总线系统就形成了,结构如图1所示。然后将整个现场总线系统接入大坝LCU的工控MODICONModbusPlusTAP为施耐德公司莫迪康ModbusPlus远程电缆TAP机,就实现了与计算机监控系统网的接头,型号为MA-185-100图1ModbusPlus连接。现在电厂中央控制室就可对大坝LCU的监控设备、泄洪洞闸门系统、5结束语气机、水泵、,运行状况良好,设备动作可靠,未发生任何设(少人值守)立下了不可磨灭的贡备事故,,为我厂的“无人值班”献。(PLC)、电子软起动器、变频器进行辅助控制设备的改造以及现场总线控制技术的应用是提高设备可靠性的好方法,通过实际运行观察,达到了预期的效果。周怀念男,工程师,从事水电厂计算机监控系统HYPERLINK"/retype/zoom/d7c3e00003d8ce2f00662349?pn=5&x=0&y=680&raww=200&rawh=118&o=png_6_0_0_45_1069_37_23_780_1110&type=pic&aimh=118&md5sum=7c2b81428