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單片開關模塊電源的電路設計
沙占友,王曉君,唱春來
摘要: 單片開關電源是國際上90年代才開始流行的新型開關電源芯片,本文闡述其電路設計方法。關鍵詞:單片開關電源電路設計這次講座介紹由TOP224P構成的開關電源模塊。
Abstract:
Key words :

  這次講座介紹由TOP224P構成的開關電源模塊。該模塊可用作儀器儀表、手機電池充電器、衛(wèi)星通信解碼器的電源。

1性能特點與技術指標

(1)采用一片TOP224P型三端單片開關電源,配PC817A型光耦合器,構成帶穩(wěn)壓管的光耦反饋電路,能將85V~265V交流輸入電源Ui變換成12V、1.67A的直流穩(wěn)壓輸出。

  (2)電路簡單,穩(wěn)壓性能好,成本低。外圍電路僅需21個元器件。其電壓調整率和負載調整率約為±1%,電源效率可達78%。在25℃的環(huán)境溫度下,可連續(xù)輸出20W的功率。峰值輸出功率為30W。

  (3)體積小,重量輕。TOP224P利用印刷板上的敷銅箔散熱,不需外接散熱片。

  (4)便于對電路進行改進。只需重新設計高頻變壓器,改變匝數比和增加少量元件,即可實現多路穩(wěn)壓輸出或恒流輸出。

  該模塊的主要技術指標如下:

  交流輸入電壓范圍:Ui=85V~265V

  輸入電壓頻率:f=(47~440)Hz

  輸出直流電壓:UO=12V±5%

  最大輸出電流:IOM=1.67A

  連續(xù)輸出功率:PO=20W(TA=25℃),或15W(TA=50℃)

  電壓調整率(Ui=85V~265V):SV=±1%

負載調整率(IO=0.167A~1.67A):SI=±1%

  效率:η=78%

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圖112V、20W開關電源模塊的內部電路

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圖2印制板元件布置圖

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圖3模塊的外特性

(a)SV-Ui;(b)SI-IO;(c)η-Ui(PO=20W);(d)η-Ui(PO=4W)

  輸出紋波電壓的最大值:±60mV

  工作溫度范圍:TA=0℃~50℃。

212V、20W開關電源模塊的電路設計

該模塊的內部電路和印制板元件布置,分別如圖1、圖2所示。單面印制板的尺寸為91mm×43mm,安裝元器件后的最大高度為27mm。電路中使用兩片集成電路:三端單片開關電源TOP224P(IC1),線性光耦合器PC817A(IC2)。交流電源經過BR和C1整流濾波后產生直流高壓U1,給高頻變壓器的初級繞組供電。VZ1和VD1能將漏感" title="漏感">漏感產生的尖峰電壓箝位到安全值,并能衰減振鈴電壓。VZ1采用反向擊穿電壓為200V的瞬態(tài)電壓抑制器P6KE200,VD1選用1A/600V的超快恢復二極管UF4005。次級繞組電壓通過VD2、C2、L1和C3整流濾波,獲得12V輸出電壓UO。UO值是由VZ2穩(wěn)壓值、光耦中LED的正向壓降、R1上的壓降這三者之和來設定的。改變高頻變壓器的匝數比和VZ2的穩(wěn)壓值,還可獲得其他輸出電壓值。R2和VZ2還為12V輸出提供一個假負載,用以提高輕載時的負載調整率。反饋繞組電壓經VD3和C4整流濾波后,供給TOP224P所需偏壓。由R2和VZ2來調節(jié)控制端電流,通過改變輸出占空比達到穩(wěn)壓目的。共模扼流圈L2能減小由初級繞組接D端的高壓開關波形所產生的共模泄漏電流。C7為保護電容,用于濾掉由初、次級耦合電容引起的干擾。C6可減小由初級電流的基波與諧波所產生的差模泄漏電流。C5不僅能濾除加在控制端上的尖峰電流,而且決定了自起動頻率,它還與R1、R3一起對控制電路進行補償。

  該開關電源模塊的SVUi、S1IO、ηUi的關系曲線如圖3所示。圖3(a)示出當IO=1.67A時,電壓調整率SV與交流輸入電壓Ui的關系。圖3(b)示出在Ui=230V時負載調整率SI與輸出電流IO的關系。圖3(c)(d)分別示出當PO=20W、4W時電源效率與交流輸入電壓Ui的關系曲線。  在上電過程中,直流高壓UI建立之后需經過160ms(典型值)的延遲時間,輸出電壓UO才達到12V的穩(wěn)定值。UO與UI的時序波形如圖4所示。延遲時間180-20=160ms。圖中假定Ui=212V,UI=Ui=300V。若需增加軟起動" title="軟起動">軟起動功能以限制開啟電源時的占空比,使UO平滑地升高,應在VZ2的兩端并聯一只軟起動電容C8(如圖1中虛線所示)。C8的容量范圍為4.7μF~47μF。當C8=4.7μF、10μF、22μF、47μF時,所對應的軟起動波形如圖5所示。上述4種情況下,軟起動時間依次為2.5ms(8.5-6ms)、2.5ms(8.5-6ms)、4ms(10-6ms)、8ms(14-6ms)。在軟起動過程中UO是按照一定的斜率升高的,能對TOP224P起到保護作用。斷電后C8可通過R2進行放電。

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圖4UO與Ui的時序波形

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圖5軟起動波形

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圖6高頻變壓器的繞制

  設計印制板時需專門留出一塊敷銅區(qū),作為TOP224P的散熱板。當PO=20W時,敷銅面積S=8cm2;PO=15W,S=3.6cm2。

3高頻變壓器的繞制方法及性能測試" title="性能測試">性能測試高頻變壓器的繞制如圖6所示。NP、NS、NB分別代表初級、次級和反饋級的繞組,1~8為引出端。其中,1端接U1,2端接TOP224P的漏極D,3端接源極S(即初級與反饋級的公共地),4端為反饋繞組電壓,第5、6兩端接返回端RTN(即輸出級的公共地),7、8端接次級電路。高頻變壓器采用EE22型磁芯。

繞制高頻變壓器的順序及方法如下:

3.1繞制初級繞組NP

  首先用3mm寬的聚脂絕緣膠帶" title="絕緣膠帶">絕緣膠帶在骨架上纏一層。然后把0.25mm漆包線的始端焊在第2端,繞完一層(40匝)后加一層12.2mm寬的絕緣膠帶,再繞第2層(27匝),合計67匝。末端接第1端。焊接前,始端與末端各套一小段0.5mm的絕緣套管(下同)。最后在初級繞組外面纏一層12.2mm寬的絕緣膠帶,作為初級與反饋級的絕緣層。

3.2繞制反饋繞組NB

  首先把雙股0.25mm漆包線的始端焊接在第4端上,然后用雙股并繞的方法繞8匝。因匝數少,要求均勻繞制,占滿骨架,以增加磁場耦合程度、減少漏感。最后把末端焊在3端上。為提高絕緣性,在反饋繞組外面再纏三層12.2mm寬的絕緣膠帶,作為反饋級與次級的絕緣層。

3.3繞制次級繞組NS

  首先用3mm寬的絕緣膠帶纏好安全邊距,然后以第7、8端為始端,用0.55mm漆包線雙股并繞8匝(均勻繞制并占滿骨架),終止于第5、6端。最后纏上三層12.2絕緣膠帶,作為最外層的絕緣材料。

3.4裝置與浸漆

  將兩個E形磁芯插入已繞好線的骨架,進行打包后再浸入清漆,經烘干后即可使用。

3.5電氣性能測試

  (1)耐壓性能測試。在高頻變壓器的18端,45端之間分別加上2000V、50Hz的高壓電,持續(xù)時間為1min,不得發(fā)生擊穿現象。

  (2)測試初級電感量。將次級繞組和反饋繞組開路,用數字電感表測量12端的電感量Lp應為650μH±10%。

  (3)測量初級漏感量。將次級繞組短路,用數字電感表測量12端之間的漏感量Lp0應不大于35μH。

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