許志偉,謝衛(wèi)才,林友杰,王志濤

(湖南工程學(xué)院電氣信息學(xué)院,湘潭 411101)

小功率通用開關(guān)穩(wěn)壓電源的分析與設(shè)計(jì)

許志偉,謝衛(wèi)才,林友杰,王志濤

(湖南工程學(xué)院電氣信息學(xué)院,湘潭 411101)

利用芯片TOP249Y為核心來設(shè)計(jì)開關(guān)電源電路,詳細(xì)討論了電路的工作原理和高頻變壓器的參數(shù)計(jì)算,輸出整流濾波電路,穩(wěn)壓反饋電路.本設(shè)計(jì)電路效率很高,體積小,能省去工頻變壓器.同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸入欠壓保護(hù)、過壓保護(hù)、從外部設(shè)定極限電流、降低最大占空比等功能.

開關(guān)電源;線性光耦合器PC817A;可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器T L431

0 引 言

本文設(shè)計(jì)的開關(guān)電源的基本技術(shù)指標(biāo)為:①交流輸入電壓 UACI:220V(85～265 V);②電網(wǎng)頻率:50 Hz;③開關(guān)電源頻率f:132 kHz;④輸出直流電壓Uo:19 V;⑤輸出額定電流Io:3.6 A;⑥額定輸出功率Po:70 W;⑦負(fù)載調(diào)整率SI:-4%～+4%;⑧電源效率H:高于84%(當(dāng)交流電壓 UACI=85 V時(shí),滿載效率可達(dá)85%;當(dāng)UACI=230V時(shí),電源效率高達(dá) 90%);⑨空載功率損耗:低于0.52 W(UACI=230V時(shí));⑩輸出紋波電壓:不高于120 mV(峰-峰值).

1 開關(guān)電源電路中關(guān)鍵元器件的選擇與設(shè)計(jì)

1.1 TOP249Y的管腳功能

TOP249Y采用 TO-220-7C封裝形式,是TOP Switch的第三代產(chǎn)品,其外形如圖1所示.它有六個(gè)管腳依次為:控制端C、線路檢測端L、極限電源設(shè)定端X、源極S、開關(guān)頻率選擇端F和漏極Do.各管腳如下:

圖1 TOP249Y外形及管腳圖

選擇TOP249Y能夠滿足本設(shè)計(jì)輸出功率與輸入電壓的要求.

1.2 線性光耦合器PC817

光電耦合器是以光為媒介來傳播電信號(hào)的器件.通常是把發(fā)光器(發(fā)光二極管LED)和受光器(光敏晶體管)封裝在同一管殼內(nèi).當(dāng)輸入端加電信號(hào)時(shí),發(fā)光器發(fā)出光線,照射在受光器上,受光器接受光線后導(dǎo)通,產(chǎn)生光電流從輸出端輸出,從而實(shí)現(xiàn)了“電-光-電”的轉(zhuǎn)換.

1.3 可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器T L431

本設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)電壓和反饋電路采用常用的三端穩(wěn)壓器TL431來完成.在反饋電路的應(yīng)用中運(yùn)用采樣電壓通過TL431限壓,再通過光電耦合器PC817把電壓反饋到TOP249Y的控制端C端.

2 基于TOP249Y的開關(guān)電源設(shè)計(jì)

利用TOP249Y設(shè)計(jì)了一種新型單端反激式開關(guān)電源[1],其輸出分別為19 V/3.6 A,電路原理如圖2所示.從該電路原理圖中可以看出,電阻R9和R10用來從外部設(shè)定功率開關(guān)管的漏極極限電流,使之略高于滿載或輸入欠壓時(shí)的漏極峰值電流ID(PK).這就允許在電源起動(dòng)過程中或輸出負(fù)載不穩(wěn)定但未出現(xiàn)飽和的情況下,采用較小尺寸的高頻變壓器.將F端與S端短接可將TOP249Y設(shè)為全頻工作方式,開關(guān)頻率為132 kHz.當(dāng)輸入直流電壓過壓時(shí),R9和R10還能自動(dòng)降低最大占空比Dmax,對最大負(fù)載功率加以限制.而R11為欠壓、過壓檢測電阻,在線路檢測端L與直流輸入電壓UDCI端連接電阻R11可進(jìn)行線路檢測,并能給線路提供電壓反饋,以減少開關(guān)頻率的波動(dòng).取 R11=2 MΩ時(shí),僅當(dāng)直流輸入電壓UDCI達(dá)到100V時(shí),電源才能起動(dòng).TOPSwitch-GX的欠壓電流IUV=50μA,過壓電流 IOV=225μA.因此其欠壓保護(hù)工作電壓為 100V,過壓保護(hù)工作電壓為 450V,即TOP249Y在本電路中的直流電壓范圍為100～450V,一旦超出了該電壓范圍,TOP249Y將自動(dòng)關(guān)閉.另外,空載時(shí),TOP249Y能自動(dòng)降低開關(guān)頻率,使得在交流230V輸入時(shí)電源損耗僅為520 mW.TOP249Y具有頻率抖動(dòng)特性,這對降低電磁干擾很有幫助.

圖2 高效率70W通用開關(guān)電源電路原理圖

當(dāng)然,在過壓時(shí)最大占空比Dmax隨流入X端的電流IX的增大而減小,當(dāng)IX從90μA增加到190μA時(shí),最大占空比 Dmax就從78%(對應(yīng)于 UUV=100V)線性地降低到47%(對應(yīng)于375 V).在掉電后,欠壓檢測能在C1放電時(shí)減少輸出干擾,只要出現(xiàn)輸出調(diào)節(jié)失效或者輸入電壓低于40V的情況,都會(huì)使TOPSwitch-GX關(guān)閉.當(dāng)開關(guān)電源受到450V以上的沖擊電壓時(shí),R11同樣可使TOP249關(guān)斷,避免元器件受到損壞.但一般說來,由于交流輸入電壓在85～265 V范圍內(nèi),經(jīng)整流濾波后的直流輸入電壓就在110～345 V范圍內(nèi)波動(dòng),不會(huì)超出100～450V的范圍,所以本設(shè)計(jì)的開關(guān)電源相對安全.另外,在TOP249Y的外端加接了由VDZ1和VD1構(gòu)成的漏極鉗位電路.在功率MOSFET關(guān)斷瞬間,高頻變壓器初級(jí)漏感會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓UL,那么就利用由VDZ1和VD1構(gòu)成的漏極鉗位電路來保護(hù)MOSFET不受損壞.同時(shí),高頻變壓器初級(jí)漏感在初級(jí)繞組上還會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓(即反向電動(dòng)勢)UOR,兩者疊加在直流輸入電壓UDCImax上,加至內(nèi)部功率開關(guān)管MOSFET的漏極上.這就要求功率MOSFET至少能承受700V高壓,UBRDS≥700V.所以,UOR+UDCImax+UL≤700V,將 UOR=73 V,UDCImax=345 V帶入式中得UL≤200V.因此,VDZ1采用鉗位電壓為200V的P6KE200型瞬態(tài)電壓抑制器,VD1選用UF4006型超快恢復(fù)二極管,其反向耐壓為800V,并將電容C11和 VDZ1并聯(lián),以減少鉗位損耗.在MOSFET截止瞬間,初級(jí)極性則變?yōu)樯县?fù)下正,此時(shí)尖峰電壓就被VDZ1吸收掉.

2.1 該開關(guān)電源高頻變壓器的參數(shù)計(jì)算

在單端反激式開關(guān)電源中,高頻開關(guān)變壓器既是儲(chǔ)能元件又是傳遞能量的主體,設(shè)計(jì)難度較大,是一個(gè)十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)[2].設(shè)計(jì)的主要參數(shù)包括變壓器變比n,初、次級(jí)繞組匝數(shù)NP、NS和反饋繞組匝數(shù)NF等.

2.1.1 選擇恰當(dāng)?shù)拇判九c骨架

由于該電源的輸出功率較為70 W,高頻變壓器的漏感應(yīng)盡量小,一般應(yīng)選用能夠滿足132 kHz開關(guān)頻率的錳鋅鐵氧體,為便于繞制,磁芯形狀可選用EI或EE型,變壓器的初、次級(jí)繞組應(yīng)相間繞制.參考其他同類型相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)資料,本設(shè)計(jì)就選用R2KDP錳鋅鐵氧體材料制成的EE22型鐵氧體磁芯,R2KDP屬于高頻低功耗電源鐵氧體材料.

當(dāng)開關(guān)電源的額定輸出功率PO=70 W時(shí),設(shè)開關(guān)電源的效率H達(dá)到85%～90%,則高頻變壓器的額定輸入功率PI=PO/H=70 W/(85%～90%)=80 W.

輸入直流最小電壓UDCImin=110V;最大導(dǎo)通時(shí)間ton=Dmax/f;占空比(也稱導(dǎo)通比)是漏極脈寬調(diào)制信號(hào)中的低電平通態(tài)時(shí)間ton與開關(guān)周期T的百分比,而開關(guān)周期T=ton+toff,則Dmax=ton/T=ton/(ton+toff)為設(shè)定的最大占空比,通常取Dmax=0.4;開關(guān)頻率f=132 kHz;電源預(yù)測效率值H=(85%～90%).

2.1.2 初級(jí)感應(yīng)電壓UOR的計(jì)算

TOPSwitch關(guān)斷且次級(jí)電路處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí),次級(jí)電壓會(huì)感應(yīng)到初級(jí).初級(jí)感應(yīng)電壓UOR是開關(guān)管斷開期間初級(jí)感應(yīng)到的電壓值.UDCImin=110,則由公式(1)計(jì)算:

計(jì)算得到:UOR=73 V.

2.1.3 確定變壓器各繞組匝數(shù)

(1)變壓器變比的計(jì)算

當(dāng)TOP249Y中的MOSFET關(guān)斷時(shí),儲(chǔ)存在變壓器初級(jí)中的能量開始向次級(jí)傳遞,次級(jí)兩路繞組的電壓US1、US2可表示為:

變壓器次級(jí)電壓與輸出電壓的關(guān)系為:

其中變壓器次級(jí)繞組壓降UL為0.3 V,輸出整流共陰極肖特基對管VD2、VD3壓降UF為0.4 V.變壓器的變比n可表示為:

計(jì)算得n=0.2699=0.27.

(2)變壓器初級(jí)、次級(jí)及反饋繞組匝數(shù)的計(jì)算

根據(jù)單端反激式變壓器的工作磁通密度及法拉第電磁感應(yīng)定律εi=-N×dB/dt×S,另外參考同類型相應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)資料,可得到初級(jí)線圈匝數(shù)NP、次級(jí)線圈匝數(shù)NS,即NP=50匝,而 NS=NP×US1/UOR=13.5,取 14 匝 .

(3)反饋繞組匝數(shù)的計(jì)算公式為:

將UB=30V,UF=0.7 V帶入得NB=21.0,取21匝.

2.2 輸出整流濾波電路的設(shè)計(jì)

輸出整流濾波電路由 VD2、VD3、C2、C3、L1、C4和C14構(gòu)成.

(1)輸出整流電路的設(shè)計(jì)

輸出整流管宜采用肖特基二極管,肖特基二極管是利用金屬和半導(dǎo)體接觸產(chǎn)生的勢壘作用的二極管,它是以多數(shù)載流子工作的,因而在開關(guān)時(shí)沒有少數(shù)載流子存儲(chǔ)電荷和移動(dòng)效應(yīng).其壓降低、正向?qū)〒p耗小,能提高電源效率.此外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紋波方面有明顯的優(yōu)勢[3].

最高反向工作電壓UBR=19.7 V,整流管實(shí)際承受最大反向峰值電壓URM=(2～3)UBR=50V.并且,額定輸出電流IO=3.6 A,則整流管標(biāo)稱電流IFI≥(2～3)IO=10 A.為了減小次級(jí)繞組和輸出整流管的損耗,現(xiàn)將次級(jí)繞組分成兩路,每路單獨(dú)使用一只MBR20100型20 A/100V的共陰極肖特基對管(VD2、VD3),然后并聯(lián)工作.之后串接 LC電路,進(jìn)行濾波[4].

(2)輸出濾波電路的設(shè)計(jì)

濾波電容在132 kHz時(shí),相對于輸入濾波電路,輸出濾波電路要進(jìn)行高頻濾波.參考與本設(shè)計(jì)同類型相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)資料,選用濾波電容C2、C3、L1、C4和C14來構(gòu)成高頻濾波電路.串加LC濾波電路進(jìn)一步降低紋波.電容C2、C3、C4分別取820 μ F,耐壓值 25 V;C14 取 0.1 μ F,耐壓值 50V;L1取200 μ H,用來減少輸出端的高頻干擾.一般來說,當(dāng)IO小于1 A時(shí)可采用由非晶合金磁性材料制成的磁珠,大于1 A時(shí)選用磁環(huán)繞制而成的扼流圈.而本設(shè)計(jì)的額定輸出電流IO=3.6 A,故須選用磁環(huán)繞制而成的扼流圈.

濾波電容、電感是組成濾波電路的重要器件.需要指出的是,電容、電感通常不是理想的電容電感.實(shí)際上是一個(gè)R、L、C的綜合器件.

2.3 穩(wěn)壓反饋電路設(shè)計(jì)

反饋回路的形式由輸出電壓的精度決定,本電源采用“光耦PC817+T L431”.它可以將輸出電壓變化控制在±4%以內(nèi),反饋電壓由19 V/3.6 A的直流輸出端取樣.輸出電壓UO通過電阻分壓器R4、R5和R6獲得取樣電壓后,與 TL431中的2.5 V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較后輸出誤差電壓,然后通過光耦去改變TOP249Y的控制端電流IC,進(jìn)而使占空比發(fā)生變化,再通過改變占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓UO使其保持不變.光耦的另一作用是對冷地和熱地進(jìn)行隔離.反饋繞組的輸出電壓經(jīng)VD4、C15整流濾波后,可給光耦中的接收管提供偏壓.C15還與R8構(gòu)成的尖峰電壓,經(jīng)濾波后可使偏置電壓即使在負(fù)載較重時(shí),也能保持穩(wěn)定.R7、C9、C10和R3、C5、C8均為控制環(huán)路的補(bǔ)償元器件.

3 結(jié)束語

單片開關(guān)電源的效率很高,體積小,能省去工頻變壓器,輸出直流電壓的紋波含量比同功率線性電源大,可與其他相應(yīng)的穩(wěn)壓器構(gòu)成理想的高效、精密穩(wěn)壓電源.TOPSwitch-GX適合制作低成本、高效率、小尺寸、全密封式開關(guān)電源模塊或電源適配器(adapter).本設(shè)計(jì)的交流輸入電壓范圍是85～265 V,這屬于全世界通用的電壓范圍,該電源能同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸入欠壓保護(hù)、過壓保護(hù)、從外部設(shè)定極限電流、降低最大占空比等功能.

[1]瑪尼克塔拉(美).開關(guān)電源設(shè)計(jì)與優(yōu)化[M].電子工業(yè)出版社,2006.

[2]普萊斯曼(美).開關(guān)電源設(shè)計(jì)[M].電子工業(yè)出版社,2006.

[3]楊 恒.開關(guān)電源典型設(shè)計(jì)實(shí)例精選[M].中國電力出版社,2007.

[4]劉立平.電力電子技術(shù)[M].中國電力出版社,2007.

The Analysis and Design of Low Power Universal Switching Power

XU Zhi-wei,XIE Wei-cai,LIN You-jie,WANG Zhi-tao
(College of Elect.and Information Engineering,Hunan Institute of Engineering,Xiangtan 411101,China)

A switching power supply circuit is designed by using the core chip TOP249Y in this paper.Then the working principle of the circuit,the parameters of high frequency transformer,the output rectifier filter circuit and the the voltage regulator feedback circuit are discussed in detail.The circuit is highly efficient and small,and the frequency transformer can be omitted.At the same time,it has functions of inputing under-voltage protection,over-voltage protection,current limit set from the outside and reducing the maximum duty ratio.

switching power supply;linear optocouplersPC817A;adjustable precision shunt regulator T L431

TN86

A

1671-119X(2010)01-0013-04

2009-09-01

許志偉(1978-),男 ,碩士,講師,研究方向 :電力電子.