摘 要： 介紹了一種基于集成式開(kāi)關(guān)電源芯片TOP256Y的反激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。分析了TOP256Y的特性和工作原理，設(shè)計(jì)了一款功率50 W、輸出+24 V的開(kāi)關(guān)電源，并對(duì)系統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源實(shí)用電路及主要單元電路進(jìn)行了詳細(xì)的分析，進(jìn)行了參數(shù)值計(jì)算、器件的選取與電路設(shè)計(jì)。最后，對(duì)該電源進(jìn)行了整體性能分析。實(shí)驗(yàn)證明：該開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源具有效率高、紋波小、輸出電壓穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞： 開(kāi)關(guān)電源；單端反激式；高頻變壓器
集成式開(kāi)關(guān)電源由于具有單片集成化、最簡(jiǎn)外電路、最佳性能指標(biāo)、無(wú)工頻變壓器、能完全實(shí)現(xiàn)電氣隔離等顯著特點(diǎn)，顯示出強(qiáng)大的生命力，是開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展方向。目前，它已成為國(guó)際上開(kāi)發(fā)300 W以下高效率中、小功率開(kāi)關(guān)電源、精密開(kāi)關(guān)電源、特種開(kāi)關(guān)電源及電源模塊的優(yōu)選集成電路。本文介紹了由美國(guó)PI公司生產(chǎn)的TOP256Y型( TOPSwitch-HX系列)單片開(kāi)關(guān)電源構(gòu)成的24 V/50 W高頻開(kāi)關(guān)電源模塊。 該開(kāi)關(guān)電源模塊可應(yīng)用于直流無(wú)刷電機(jī)、儀器儀表等控制供電電源。
1 TOP256Y的主要性能特點(diǎn)和工作原理
1.1 性能特點(diǎn)
TOP256Y是TOPSwitch-HX系列中一款輸出功率比大的芯片，其封裝形式是TO-220-7C，TOPSwitch-HX以經(jīng)濟(jì)高效的方式將一個(gè)700 V的功率MOSFET、高壓開(kāi)關(guān)電流源、PWM控制器、振蕩器、熱關(guān)斷保護(hù)電路、故障保護(hù)電路及其他控制電路集成在一個(gè)單片器件內(nèi)。外圍電路簡(jiǎn)單，電磁干擾小，成本低廉。由于芯片本身功耗很低，電源效率可達(dá)80%左右，最高可達(dá)90%。TOPSwitch-HX系列芯片使用了頻率、電壓監(jiān)測(cè)和外部流限3個(gè)引腳，以實(shí)現(xiàn)一些新的功能。將如上引腳與源極引腳連接時(shí)，TOPSwitch-HX以類似TOPSwitch的三端模式工作。然而，在此種模式下，TOPSwitch-HX仍能實(shí)現(xiàn)如下多項(xiàng)功能而無(wú)需其他外圍元件：
(1)完全集成的17 ms軟啟動(dòng)，通過(guò)從低到高掃描限流點(diǎn)和頻率以限制啟動(dòng)時(shí)的峰值電流和電壓，可以顯著降低或消除大多數(shù)應(yīng)用中的輸出過(guò)沖。
(2)最大占空比(DCMAX)可達(dá)78%，允許使用更小的輸入存儲(chǔ)電容，所需輸入電壓更低或具備更大輸出功率能力。
(3)采用132 kHz的開(kāi)關(guān)工作頻率，可以減小變壓器器和電源的尺寸，并對(duì)EMI沒(méi)有顯著影響。
(4)輸入欠壓(UV)檢測(cè)可以防止關(guān)機(jī)時(shí)輸出的不良波動(dòng)，輸入過(guò)壓(OV)關(guān)斷電路提高了對(duì)輸入浪涌的耐受力。
(5)采用多模式工作，可以優(yōu)化和提高整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)的電源效率，同時(shí)保持多路輸出電源中良好的交叉穩(wěn)壓精度。
(6)遲滯過(guò)熱關(guān)斷功能確保器件在發(fā)生熱故障時(shí)自動(dòng)恢復(fù)。滯后時(shí)間較長(zhǎng)可防止電路板過(guò)熱。
(7)降低自動(dòng)重啟占空比和頻率可以增強(qiáng)在開(kāi)環(huán)故障、短路或電壓失調(diào)狀況下對(duì)電源和負(fù)載的保護(hù)能力。
1.2 工作原理
TOP256Y的內(nèi)部框圖如圖1所示，主要包括以下部分：
(1)控制(C)引腳
控制引腳是提供供電和反饋電流的低阻抗節(jié)點(diǎn)。在正常工作期間，分路穩(wěn)壓器用來(lái)將反饋信號(hào)從供電電流中分離出來(lái)?？刂埔_電壓VC是控制電路(包括MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)在內(nèi))的供電電壓。
(2)脈寬調(diào)制器
脈寬調(diào)制器通過(guò)驅(qū)動(dòng)輸出MOSFET來(lái)實(shí)現(xiàn)多模式控制，其占空比與流入控制腳超過(guò)芯片內(nèi)部消耗所需要的電流成反比。
(3)誤差放大器
并聯(lián)調(diào)整器也可在初級(jí)反饋應(yīng)用中用作誤差放大器。并聯(lián)調(diào)整器的電壓由一個(gè)具有溫度補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)提供。控制腳的動(dòng)態(tài)阻抗ZC設(shè)置誤差放大器的增益。
(4)可外部編程的片內(nèi)流限
逐周期的峰值漏電流限制電路以MOSFET的導(dǎo)通電阻作為電流采樣電阻。流限比較器將輸出MOSFET導(dǎo)通狀態(tài)下的漏-源極電壓VDS(ON)與一個(gè)閾值電壓相比較。漏電流太大將使VDS(ON)超過(guò)閾值電壓并在下一個(gè)時(shí)鐘周期開(kāi)始前關(guān)斷輸出MOSFET。流限比較器的閾值電壓采用溫度補(bǔ)償，使輸出MOSFET的VDS(ON)隨溫度所產(chǎn)生的變化對(duì)流限的影響最小。
(5)輸入欠壓檢測(cè)(UV)
在上電時(shí)，UV令TOP256Y在輸入電壓達(dá)到欠壓閾值前保持關(guān)斷；在斷電時(shí)，UV防止它在輸出失調(diào)后自動(dòng)重啟動(dòng)。在斷電時(shí)，UV防止它在輸出失調(diào)后自動(dòng)重啟動(dòng)。
(6)線電壓過(guò)壓關(guān)斷(OV)
用于設(shè)置UV欠壓閾值的電阻也用于設(shè)置過(guò)壓保護(hù)的閾值，當(dāng)超過(guò)閾值時(shí)就會(huì)立即強(qiáng)制TOP256Y關(guān)斷開(kāi)關(guān)(完成當(dāng)前開(kāi)關(guān)周期后)。如果此情況持續(xù)超過(guò)100 μs，TOP256Y輸出將被強(qiáng)制進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)。
(7)遲滯型或鎖存型輸出過(guò)壓保護(hù)(OVP)
遲滯型或鎖存型輸出過(guò)壓保護(hù)(OVP)的檢測(cè)是都是通過(guò)觸發(fā)輸入過(guò)壓閾值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。V引腳的電壓將下降0.5 V，控制器會(huì)在電壓下降后立即測(cè)量外部所連阻抗。如果IV或IM超過(guò)IOV(LS)(典型值為336 μA)100 μs以上，TOP256Y將永久關(guān)斷，即鎖存型OVP。只有在VV或VM低于1 V，或者VC低于上電復(fù)位閾值(VC(RESET))時(shí)，它才會(huì)復(fù)位并恢復(fù)正常。
(8)降低DCMAX的線電壓前饋
設(shè)置UV和OV的電阻同時(shí)也用于產(chǎn)生線電壓前饋，使輸出紋波最小并減小了輸入電壓瞬態(tài)變化時(shí)對(duì)輸出的影響。值得注意的是，對(duì)于相同的控制腳電流，更高的線電壓會(huì)使占空比更小。
(9)遠(yuǎn)程開(kāi)/關(guān)
TOP256Y可通過(guò)控制流入電壓監(jiān)測(cè)引腳或流出外部流限引腳來(lái)接通或關(guān)斷。另外，電壓監(jiān)測(cè)引腳上連有1 V的輸入閾值比較器，此電壓閾值也可用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開(kāi)/關(guān)控制。
(10)遲滯過(guò)熱保護(hù)
TOP256Y由精密的模擬電路提供溫度保護(hù)，當(dāng)結(jié)溫超過(guò)熱關(guān)斷溫度(典型值140 ℃)時(shí)，該電路就關(guān)斷輸出MOSFET，當(dāng)結(jié)溫冷卻到遲滯溫度以下時(shí)，自動(dòng)恢復(fù)并重新正常工作。
(11)帶隙基準(zhǔn)
TOP256Y內(nèi)部所有的關(guān)鍵電壓均來(lái)自于一個(gè)具有溫度補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)。此基準(zhǔn)電壓用于產(chǎn)生所有其他內(nèi)部電流基準(zhǔn)，經(jīng)調(diào)整此電流基準(zhǔn)能精確設(shè)定開(kāi)關(guān)頻率、MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電流、流限和線路OV/UV/OVP閾值。
(12)高壓偏置電流源
在啟動(dòng)或遲滯模式工作時(shí)，高壓電流源從漏極引腳輸入，為TOP256Y器件提供偏置，并對(duì)控制腳的外接電容充電。在自動(dòng)重啟動(dòng)、遠(yuǎn)程關(guān)斷和過(guò)熱關(guān)斷時(shí)，器件進(jìn)入遲滯工作模式。
2 設(shè)計(jì)實(shí)例
圖2是用TOP256Y芯片設(shè)計(jì)的單端反激式開(kāi)關(guān)電源的原理圖。輸入為交流220 V(±15%)，輸出為直流+24 V，功率為 48 W。由于TOPSwitch-HX芯片集成度高，設(shè)計(jì)工作主要是外圍電路的設(shè)計(jì)。外圍電路基本分為輸入整流濾波電路、高頻變壓器、箝位保護(hù)電路、欠壓過(guò)壓保護(hù)電路、外部流限保護(hù)電路、輸出整流濾波電路及反饋電路 7 部分。
2.1 輸入整流濾波電路設(shè)計(jì)
輸入整流濾波電路包括交流濾波、整流部分和整流濾波電容。交流濾波采用∏型濾波電路，具體參數(shù)如下：去除差模干擾的C1、C2為0.33 μF/275 V；去除共模干擾的C3、C4為22 nF/250 V； 濾波電感T1為20 mH。整流電路是由4只二極管組成的整流橋，整流二極管的反向耐壓應(yīng)大于400 V，其承受的沖擊電流應(yīng)大于額定整流電流的5～6倍，選定的整流二極管的穩(wěn)態(tài)電流容量應(yīng)為計(jì)算值的兩倍。
本設(shè)計(jì)中，選用4個(gè)IN5408整流二極管構(gòu)成整流橋。在220V AC(±20%)的供電條件下，電容C5的值可根據(jù)輸出功率按照2 μF/W來(lái)取值，再考慮余量后，取100 μF/400 V。
2.2 高頻變壓器設(shè)計(jì)
單端反激式開(kāi)關(guān)電源的高頻變壓器磁芯只工作在磁滯回線的第一象限。在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)只儲(chǔ)存能量，而在截止時(shí)向負(fù)載傳遞能量。因此，它既是變壓器又是儲(chǔ)能電感，具體設(shè)計(jì)如下：
(8)確定導(dǎo)線線徑
設(shè)計(jì)中初級(jí)繞組和反饋繞組用線徑0.31 mm的導(dǎo)線單股繞， 次級(jí)繞組用線徑為0.44 mm的導(dǎo)線雙股并繞。
2.3 箝位保護(hù)電路設(shè)計(jì)
當(dāng)TOP256Y的功率MOSFET管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，在高頻變壓器T2的初級(jí)繞組上會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓和反射電壓，其中尖峰電壓是由于高頻變壓器存在漏感而形成，直流高壓和反射電壓疊加后很容易損壞MOSFET管。因此，必須設(shè)計(jì)箝位保護(hù)電路，對(duì)尖峰電壓進(jìn)行箝位和吸收。
圖2中VD1和VD2構(gòu)成的箝位電路可防止高壓對(duì)TOP256Y的損壞，VD1與VD2的選擇由反射電壓VOR決定。VOR一般取135 V，VD1箝位電壓 VCLO可取1.5倍VOR，VD2的耐壓值應(yīng)大于最大直流輸入電壓VDCmax。
本設(shè)計(jì)中VD1采用反向擊穿電壓為200 V的TVS(瞬態(tài)電壓抑制器)P6KE200A，VD2采用反向耐壓為600 V的超快恢復(fù)二極管FR107。
2.4 欠壓過(guò)壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)
通過(guò)在V引腳與直流電壓間連接一個(gè)4 MΩ的阻抗來(lái)實(shí)現(xiàn)線電壓檢測(cè)。如果直流輸入電壓升至400 V以上，在電壓恢復(fù)正常值前TOP256Y將停止工作，以防止器件的損壞。如果直流輸入電壓低于100 V, 在輸入電壓達(dá)到欠壓閾值前TOP256Y保持關(guān)斷；在斷電時(shí)，防止它在輸出失調(diào)后自動(dòng)重啟動(dòng)。
2.5 外部流限保護(hù)電路
電阻R1、R2和R3用來(lái)限制輸出功率，這樣可以在輸入電壓波動(dòng)時(shí)維持相對(duì)恒定的過(guò)載功率。
2.6 輸出整流濾波電路的設(shè)計(jì)
輸出整流濾波電路由整流二極管和濾波電容構(gòu)成。輸出整流二極管的開(kāi)關(guān)損耗占系統(tǒng)損耗的15%以上，是影響開(kāi)關(guān)電源效率的主要因素，它包括正向?qū)〒p耗和反向恢復(fù)損耗。由于肖特基二極管反向恢復(fù)時(shí)間短，在降低反向恢復(fù)損耗以及消除輸出電壓中的紋波方面有明顯的性能優(yōu)勢(shì)，所以選用肖特基二極管作為整流二極管。選取的依據(jù)是最大反向峰值電壓。次級(jí)繞組的反向峰值電壓VSM按1.5倍VO選取。
對(duì)輸出濾波電容，選用100 μF/50 V鋁電解電容。輸出濾波電感采用6×8的工形磁芯繞制，用線徑 0.31 mm的導(dǎo)線單股繞，電感值約8 mH。為減少共模干擾，在輸出的地與高壓側(cè)的地之間接共模抑制電容，如圖2中的C13。
2.7 反饋回路的設(shè)計(jì)
為了滿足負(fù)載變化較大時(shí)的供電要求，提高輸出電壓的穩(wěn)定度，設(shè)計(jì)采用了可調(diào)式精密穩(wěn)壓器TL431加線性光耦TLP521構(gòu)成反饋回路，電路如圖2所示。電壓采樣及反饋電路由光耦TLP521、TL431及與之相連的阻容網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。
其控制原理如下：輸出電壓經(jīng)R10、R11分壓后得到采樣電壓，此采樣電壓與TL431提供的2.5 V參考電壓進(jìn)行比較，當(dāng)輸出電壓正常(24 V)時(shí)，采樣電壓與TL431提供的2.5 V參考電壓相等則TL431的K極電位不變，流過(guò)光耦二極管的電流不變，光耦CE的電壓不變，TOP256Y的C腳電位穩(wěn)定，輸出驅(qū)動(dòng)的占空比不變，輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定值不變。當(dāng)輸出24 V電壓因?yàn)槟撤N原因偏高時(shí)，經(jīng)分壓電阻R10、R11分壓值就會(huì)大于2.5 V，則TL431的K極電位下降，流過(guò)光耦二極管的電流增大，則流過(guò)光耦CE的電流也增大，TOP256Y的C腳電位下降，占空比下降，輸出電壓降低，這樣就完成了反饋穩(wěn)壓的作用。R9與R10是用于控制環(huán)路的補(bǔ)償。C12主要是用于軟啟動(dòng)保護(hù)，確保輸出電壓在滿載條件下及低電壓?jiǎn)?dòng)時(shí)保持穩(wěn)定。
為了使反饋回路可靠工作，根據(jù)TLP521的技術(shù)手冊(cè)，二極管的正向電流If在2 mA左右時(shí)，集射電壓在很寬的范圍內(nèi)線性變化。因此一般選TLP521二極管正向電流If為2 mA。從TL431的技術(shù)手冊(cè)可知，陰極工作電壓UK的允許范圍為2.5～36 V，工作電流IK在1～100 mA內(nèi)變化，一般選10 mA即可。
3 設(shè)計(jì)驗(yàn)證
按照以上分析得到的參數(shù)設(shè)計(jì)了一款基于TOP256Y的反激式開(kāi)關(guān)電源，電路原理圖如圖2。經(jīng)過(guò)相關(guān)測(cè)試，該電源在滿載狀態(tài)時(shí)，最大占空比為0.6，電源效率為82%。
集成開(kāi)關(guān)電源芯片的應(yīng)用克服了以往開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中外圍元件和輔助電路復(fù)雜等問(wèn)題，使開(kāi)關(guān)電源高效化、模塊化，并減小了電源的體積。本文采用TOP256Y 研制了一款新型開(kāi)關(guān)電源，給出了外圍電路各部分的詳細(xì)設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行了參數(shù)計(jì)算。通過(guò)實(shí)測(cè)結(jié)果分析，驗(yàn)證了理論的可行性。具有較強(qiáng)的適用性。
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