TOPSwitchⅡ在稳压电源中的应用

2006-05-07 15:49:47来源: 电源技术应用

采用高频开关电源是克服上述缺点的有效途径,但一般的高频开关电源电路复杂,元器件较多,制作成本也会有所提高,所以目前在实验稳压电源中采用高频开关技术的仍不多见。然而采用TOPSwitch等新型器件制作的高频开关电源,电路可以做得和工频线性稳压电源一样简单,性能很优越,效率却远高于后者,而成本也不会有明显的增加。

    TOPSwitch器件是美国功率集成公司(POWERIntegrationsInc),于90年代中期推出的新型高频开关电源芯片。它是三端脱线式PWM开关的英文缩写(ThreeterminalofflinePWMSwitch)。它的特点是将高频开关电源中的PWM控制器和MOSFET功率开关管集成在同一芯片上,是一种二合一器件。这大大简化了电源电路,提高了可靠性,使得电源的设计更加简单快捷。TOPSwitch器件有多种封装形式,采用DIP-8和SMD-8封装的,中间4只为空脚,可以将它们接到印刷电路板的铜箔上,将芯片产生的热量直接传到印刷电路板上,不必另设散热器,节省了成本。采用TO220封装的,只有3只管脚,使用起来就和一只大功率三极管一样便利。此外由于PWM控制器和MOSFET功率开关管是在管壳内连接的,连线极短,这就消除了高频辐射现象,改善了电源的电磁兼容性能,减小了器件对电路板布局和输入总线瞬变的要求。TOPSwitch-II是TOPSwitch的改进型号,它将单电压输入时的最大功率100W提高到150W,电磁兼容性也得到增强,该器件具有更高的性能价格比。TOPSwitch-II器件包括TOP225-TOP227等几个型号,主要差别就在于输出功率的不同。TOPSwitchII器件的内部电路与性能分别见图1和表1所示。

表1 TOPSwitch-Ⅱ的产品分类及最大输出功率POM

TOP-220封装(Y) DIP-8封装(P)/SMD-8封装(G)
产品型号 固定输入(110/115/230VAC±15%) 宽范围输入(85~265) 产品型号 固定输入(110/115/230VAC,±15%) 宽范围输入(85~265VAC)
TOP221Y 12W 7W TOP221P/G 9W 6W
TOP222Y 25W 15W TOP222P/G 15W 10W
TOP223Y 50W 30W TOP223P/G 25W 15W
TOP224Y 75W 45W TOP224P/G 30W 20W
TOP225Y 100W 60W —— —— ——
TOP226Y 125W 75W
TOP227Y 150W 90W

2 工作原理

    该电源电路拓扑为单端反激式,电路原理见图2所示。220V市电经电源噪声滤波器LF后再通过桥式整流器直接整流。电源滤波器的作用一方面是滤除由电网传来的杂波电压,净化输入电源,另一方面也阻止高频开关电源的振荡电压窜入电网,干扰其它电器。现在很多电源设计不重视电源滤波器的选择,一些中小功率的高频开关电源往往不加电源滤波器,这样不仅降低了电源本身的抗干扰能力,影响其工作稳定性,而且也造成对公共电网的污染。市电经整流和电容滤波后,变成308V的直流电压供给TOPSwitch-II器件,TOPSwitch-II构成DC/DC变换器,它将输入的直流高压变成脉宽可调的高频脉冲电压,经高频变压器降压后再进行半波整流和滤波,变成所需要的直流电压输出。R1、C1、VD1组成缓冲吸收电路,吸收功率器件在关断过程中由于变压器漏感产生的电压尖峰过冲,电路的工作频率为100kHz,振荡元件已固化在器件内部,高频变压器的次级有4个绕组,其中的5V/3A绕组N3控制TOPSwitch-II器件的脉宽,即这一组输出电压为PWM稳压,由并联可编程稳压器TL431和光电耦合器PC及分压电阻R7、R8完成取样反馈工作。之所以选择这一绕组进行脉宽控制,是因为它的输出电压低电流大,更能体现出开关电源的优越性。为了实现对光耦的隔离供电,变压器单设了一个辅助绕组N2。±12V/0.5A绕组N4及N5采用集成三端稳压器LM7812和LM7912进行线性稳压,因输出电流不大,功耗较低,散热问题容易解决。次级中还有一个1.25V~30V/1.5A的可调绕组N6,采用了可调三端稳压器LM317进行线性稳压和调压,为了克服线性稳压在低压输出时,功耗大和效率低的缺点,此绕组设置了高、低两个抽头,抽头的变换由继电器自动切换,切换电压设在15V,由TL431取样。当要求输出电压低于15V时,TL431的参考输入端的电压低于2.5V,TL431截止,继电器K不吸合,低压绕组被接通。反之,当要求输出电压高于15V时,TL431的参考输入端的电压高于2.5V,TL431导通,继电器吸合,高压绕组被接通。电压表PV指示输出电压的数值。

    TOPSwitch-II器件型号的选择

    本电源总输出功率为各组输出功率之和:

    PO=5×3+12×2×0.5+30×1.5=72W

    若电源总的效率为80%,则电源输入的总功率应为:

    Pi=PO/80%=72/0.8=90W

    从表1可以看出,在220V单一电压条件下,TOP225Y的最大输出功率为100W,能够满足本电路要求。

3 高频变压器的设计

    在制作单端反激式高频开关电源时,高频变压器的设计与计算是至关重要的,其工作量也是比较大的。

    假定交流输入电压的范围是180V~260V,整流器压降和输出电压纹波为22V,最大占空比为Dmax=0.5,则

    Uimax=根号2×260=364V(空载)

    Uimin=根号2×18-22=230V(空载)

    K=Uimax=Uimax/Uimin=364/230=1.58

    Dmin=Dmax/[(1-Dmax)K+Dmax]

    =0.5/[(1-0.5)×1.58+0.5]=0.38

    Ip=2PO/(Uimin×Dmax)

    =2×90/(230×0.5)=1.57A

    (1)变压器初级电感量

    Lp=Uimin×Dmax/(Ip×f)

    =230×0.5/(1.57×100×103)

    =0.73mH

    选择南京CONDA公司的PQ32/30磁芯、LP3材料、AL=1.61、磁通密度B=0.39T,变压器工作在单端状态,最大工作磁通

    Bmax=B/2=0.39/2=0.19T

    为避免出现磁饱和现象,变压器磁芯要留有空气隙,其长度

    Lg=0.4×π×Lp×Ip2/(AL×B2max)

    =0.4×3.14×0.73×10-3×1.572

    /(1.61×0.192)

    =0.04cm

    (2)变压器初级匝数N1

    N1=Lp×Ip×104/(AL×Bmax)

    =0.73×10-3×1.57×104/1.61×0.19

    =38匝(取整)

    (3)5V绕组匝数N3

    N3=N1(UO+UD)(1-Dmax)/(Uimin×Dmax)

    =38×(8+1)(1-0.5)/(230×0.5)

    =1匝(取整)

    (4)±12V绕组匝数N4、N5

    N4=N5=N1(UO+UD)(1-Dmax)/(Uimin×Dmax)

    =38×(15+1)×(1-0.5)/(230×0.5)

    =3匝(取整)

    (5)反馈绕组匝数N2=N4=N5

    (6)1.25V~30V可调绕组匝数N6

    N6=N1(UO+UD)(1-Dmax)/(Uimin×Dmax)

    =38×(33+1)(1-0.5)/(230×0.5)

    =6匝(取整)

    在3匝处抽头

    上述计算匝数各公式中的UO为输出电压(取额定输出电压+稳压器压降3V),UD为快恢复二极管压降,取1V。

    采用高强度漆包线绕制,各绕组所用漆包的线径如下:

    N1用φ0.71mm

    N2、N4、N5用φ0.42mm

    N3用φ0.99mm

    N6用φ0.72mm

    5V绕组的输出滤波电感线圈L1选φ4cm磁环,用1.0mm漆包线穿绕15匝。

    高、低压切换继电器用JZC22F,DC12V/10A,电压表的型号为85C1、表盘刻度0~30V。

    高频变压器的计算过程是很繁琐的,要考虑大量相互关联的设计变量,费力耗时。为减轻设计者负担,美国功率集成公司特为TOPSwitch器件设计了一套EXCEL电子表格,可以在PC机上运行。应用电子表格设计电源,简单快捷,一般只要10分钟左右即可完成。中国电源学会1999年第13届年会上,曾有一篇论文,专门介绍了EXCEL电子表格,读者可参阅该文,这里不再赘述。

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/power/200605/2071.html
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