基于TOPSwitch-GX系列的伺服系統(tǒng)多輸出開關電源

多路輸出開關電源廣泛應用在各種復雜小功率電子系統(tǒng)中，就多路輸出而言，通常只有輸出電壓低、輸出電流變化范圍大的一路作為主電路進行反饋調節(jié)控制，以保證在輸入電壓及負載變化時保持輸出電壓穩(wěn)定，由于受變壓器各個繞組間的漏感和繞組電阻等的影響，輔助輸出電壓隨輸出負載的變化而變化，通常，當主輸出滿載和輔助輸出輕載時，輔助輸出電壓將升高，而當主輸出輕載和輔助輸出滿時，輔助輸出電壓將降低，這就是多路輸出的負載交叉調整率問題，筆者基于TOPSwitch-GX系列設計了一種多路輸出開關電源，很好的解決了多路輸出的負載交叉調整率問題，該電源在各種工況下都能穩(wěn)定輸出，主輸出電壓紋波小于3%，各路輔助輸出紋波小于5%，負載交叉調整率小于5%，在交流伺服系統(tǒng)中，該電源給系統(tǒng)控制部分部及功率部分供電，開關電源的性能直接影響到交流伺服系統(tǒng)的伺服特性，如何設計一個穩(wěn)定性能好、交叉調整率小、電壓紋波小的開關電源是一個急需解決的問題。

2 TOPSwitch-GX系列簡介

2.1 與TOPSwitch-FX的性能比較

TOPSwitch系列單片機開關電源是美國功率集成公司于上世紀90年代中期推出的新型高頻開關電源，它是三端離線式PWM開關的英文縮寫（Three Terminal Off Line PWM Switch）被譽為“頂級開關電源”。它的特點是將高頻開關電源中的PWM控制器和MOSFET功率開關管集成在同一芯片上，是一種二合一器件。TOPSwitch-GX是該公司推出的第四代系列產品，除具備TOPSwitch-FX系列的全部優(yōu)點外，它還將最大輸出功率從75W提高到290W，適合構成大中功率的高效率，隔離式開關電源；將開關頻率提高到132KHz，有助于減小高頻變壓器及整個開關電源的體積，適合作為伺服電機控制板的板載電源的主控器件，當開關電源負載很輕時，它能自動將開關頻率從132KHz降低到30KHz（在半頻模式下，則由66KHz降到15KHz）,可降低開關損耗，進一步提高電源效率，采用被稱作EcoSmart的節(jié)能新技術，顯著降低了在遠程通/斷模式下的功耗，當輸入交流電壓是230V時，功耗僅為160mW。

2.2 TOPSwitch-GX的工作原理

TOPSwitch-GX的內部主要由18個部分組成，與第三代TOPSwitch-FX系列的主要區(qū)別是在該系列的基礎上作了一些改進，在原有的5個組成部分上新增加了3個單元電路，電流極限調節(jié)器也增加了軟啟動輸出端；將頻率抖動振蕩器產生的開關頻率提升到132KHz（全頻模式）或66KHz（半頻模式）；給頻率抖動振蕩器增加了一個“停止邏輯”（STOP LOGIC）電路，使只工作更為可靠。TOPSwitch-GX利用反饋電流Ic來調節(jié)占空比D，達到穩(wěn)壓目的，當輸出電壓U0降低時，經過光耦反饋電路使反饋電流Ic減小，占空比則增大，輸出電壓隨之升高，最終使U0維持不變，同理，當輸出電壓Uo升高時，通過內部調節(jié)，也能使U0維持不變。

3 電源主電路設計方案

3.1控制板和功率板電源需求

電源是為交流伺服系統(tǒng)的控制板和功率板供電的，并以板載電源的形式作為控制板和功率板組成的一部分，系統(tǒng)對板載電源的要求是電壓紋波小于5%，多路輸出電壓交叉調整率低于5%，在各種工況下能穩(wěn)定輸出，滿足系統(tǒng)的供電需求，控制板和功率板電源地之間相互隔離，避免電磁干，要求電源能軟啟動，避免瞬間高壓對系統(tǒng)產生不良影響，根據(jù)系統(tǒng)要求，設計的多路輸出板載電源的各路輸出電壓，電流及作用如表1所示，其中+5V與+15V二路輸出共地，+3.3V無與+5V二路輸出共地，兩組地彼此是相互電氣隔離的。

3.2 電源主電路

板載電源主電路如圖1所示。電源采用單端反激式拓撲結構，選用TOPSwitch-GX系列電路，當電源輸入電流85V-265V時，交流電壓U依次經過電磁干擾（EMI）濾波器、輸入整流濾波器和系列軟啟動電路得到直流高壓DCP，DCP經過R68接L端，能使極限電流隨DCP升高而降低，使用箝位二極管和阻斷二極管D1替代價格較高的TVS(瞬態(tài)電壓抑制器）,用于吸收在TOP244Y關段時高頻變壓器漏感產生的尖峰電壓，對漏極起到保護作用，次級電壓經整流、濾波后變?yōu)槎嗦份敵觯渲?5V電源輸出和輔助輸出用的是快速恢復二極管，其他輸出用的是肖特基二極管，其目的是減少整流管的損耗。

該電源電路采用了TOP244Y、PC817型光電耦合器及LMV431A型可調試精密并聯(lián)穩(wěn)壓管，為減小高頻變壓器體積和增強磁場耦合程度，次級繞組采用了堆疊式繞法。LMV431A的內部參考電壓為2.495V，輸出電壓經電位器和R65分壓，可調電壓2.5V（基準值）至37V（最大值）之間，R66和C75構成LMV431A的頻率補償網(wǎng)絡。除3.3V主輸出外，其余各路輸出未加反饋，輸出電壓均由高頻變壓器的匝數(shù)比決定，另外，為了盡可能減少電磁干擾，在開關電源的輸出側接入共模扼流圈，以改善電磁噪聲。

3.3 多路輸出交叉調整率

對于多路輸出，如果要求每路輸出電壓均具有高精度，則煤爐都應有獨立的閉環(huán)穩(wěn)壓回路，如果只有一路輸出是重負載，其他路輸出的副載較輕，對于輸出電壓精度要求不是很嚴格，則只需給重負載所在的回路加反饋控制回路.本模塊的4路輸出中，由于+3.3V輸出是最重要的負載，輸出電流（最大3A），+5V、+5V（HVDD）+ 15V是集成電路的電源，允許電壓在10%的范圍變化，電流較小，所以只在+3.3V輸出回路采用閉環(huán)穩(wěn)壓電路。在+5V、+5V（HVDD）、+15V所在回路7805型和7815型集成穩(wěn)壓器，由于反激式變壓器本身就是耦合電感，所以采用這種高頻反激式拓撲結構的變壓器就能改善多路輸出交叉調整率。

在這種開關電源的設計過程中，由于高頻變壓器參數(shù)對開關電源的性能影響很大，所以高頻變壓器的設計是很重要的，對于多路輸出電源，其輸出阻抗直接決定輸出電壓的變化，輸出阻抗與各輸出繞組間的漏感成正比，而初、次級繞組的耦合程度對輸出阻抗也有很大影響，所以設計多路輸出高頻變壓器要使各輸出繞組間緊密耦合，且輸出電流變化范圍大的繞組（主輸出繞組）與初級繞組要耦合得最好，以利于提高交叉調整率，通過實驗與分析，對本系統(tǒng)中采用的變壓器，繞組的最佳繞制順序為先繞原邊的一半，再繞副邊繞組，最后繞原邊的另外一半和偏置繞組。

漏感會導致變壓器電壓的尖峰，對于反激變壓器，該尖峰直接引起輔助輸出輕載時輸出電壓的攀升。如果能保持箝位電壓的大小略高于次級反射電壓，則多路輸出反激式開關電源的交叉調整率能得到極大的改進，這里采用在變壓器原邊并聯(lián)由一個箝位二極管和一個快恢復二極管構成的箝位電路的方法，這個箝位電路能限制尖峰電壓攀升并吸收尖峰電壓的能量，次級反射電壓為135V，采用200V的P6KE型箝位二極管和FR1107型快恢復二極管。

采取上述措施后，多路輸出電壓的交叉調整率得到極大的改善，主輸出電壓紋波小于3%，各路輔助輸出電壓紋波小于5%，負載交叉調整率小于5%。

3.4 高頻變壓器的設計

單端反激式高頻開關變壓器是開關電源的關鍵，這種變壓器實質上是一個耦合電感器，它要具有著儲能、變壓、傳遞能量等功能，筆者采用面積乘積法來設計高頻變壓器。

3.4.1 設計已知參數(shù)

這些參數(shù)由設計人員根據(jù)用戶需求和電路的特點確定，包括輸入電壓Vin、輸出電壓Vout、每路輸出的功率Pout、效率η、開關頻率fs（或周期T），線路主開關管的耐壓Vmos。

3.4.2 設計原理

在反激式變換器中，副邊反射電壓即反激電壓Vf與輸入電壓之和不能高于主開關管的耐壓，同時還要留有一定的裕量（此處假設為150V），反激電壓由下式確定：

V_f=V_mos-V_inDCMax-150V （1）

式中，VinDCMax為變壓器前端入的最小直流電壓。

確定了反激電壓之后，就可以由式（2）確定原、副邊的匝比，即

N_p/N_s=V_f/V_out （2）

式中，Np為原邊繞組匝數(shù)，為副邊繞組匝數(shù)。

反激式電源的最大占空比DMax出現(xiàn)在最低輸入電壓、最大輸出功率的狀態(tài)下，根據(jù)穩(wěn)態(tài)下變壓器的磁平衡式可求出Dmax，即

V_inDCMaxD_Max=V_f（1-D_max） （3）

設在最大占空比時，當開關管開通時，原邊電流為Ip1；當開關管關斷時，原邊電流上升到縫制電流Ip2。若Ip1為0，則說明變壓器工作在斷續(xù)模式，否則工作在連續(xù)模式，由能量守恒定律可以得到下式：

1/2（I_p1+I_p2）D_MaxV_inDCMax=P_out/η （4）

在一般連續(xù)模式設計中，令Ip2=3Ip1，這樣就可以求出變壓器的原邊電流，由下式可以得到原邊電感量Lp：

L_p=D_MaxV_inDCMax/f_sΔI_p （5）

對于連續(xù)模式，ΔI_p=I_p2-I_p1=2I_p1；對于斷續(xù)模式，ΔIp=Ip2。

可由面積乘積AwAe法根據(jù)式（6）求出所要求的鐵芯：

在上式中，Aw為磁芯窗口面積，Ae為磁芯截面積，Bw為磁芯工作磁感應強度，K0為窗口有效使用系數(shù)，根據(jù)安規(guī)的要求和輸出路數(shù)決定，一般為0.2-0.4，Kj為電流密度系數(shù)，一般取395A/cm2。

根據(jù)求得的AwAe值選擇合適的磁芯，一般盡量選擇窗口長寬比較大的磁芯，這樣磁芯的窗口有效使用系數(shù)較高，同時可以減小漏感。

磁芯確定后就可以根據(jù)下式求出原邊的匝數(shù)：

N_p=L_pI_p210⁴/B_wA_e （7）

再根據(jù)原邊與副邊的匝比關系求出副邊的匝數(shù)，有時求的匝數(shù)不是整數(shù)，這時應該調整某些參數(shù)，使原邊和副邊的匝數(shù)合適。

為了避免磁芯飽和，應該在磁回路中加入一個適當?shù)臍庀秎g，其值由下式計算：

l_g=0.4πN_p²A_e10^-8/L_p （8）

至此，單端反激開關電源變壓器的主要參數(shù)已經確定，在設計完成后還要核算窗口面積是否夠大，變壓器的損耗和溫升是否滿足要求。

3.5 設計結果

在本電源系統(tǒng)中已知的參數(shù)為輸入電流電壓85：265V，η取0.8（由經驗定），fs=132KHz，Vmox=700V。

電路采用斷續(xù)工作方式，經過反復計算與實驗，設計的高頻變壓器的主要參數(shù)如下：

原邊電感量Lp=390μH；磁芯采用E125的鐵氧體磁芯；原副邊繞組Np=63，Ns1=2，Ns2=2，Ns3=3，Ns4=9，NB=7；繞組采用夾心繞法，其中，原邊繞組與副邊繞組之間用3層尼龍絕緣材料絕緣，副邊繞組各層之間用一層絕緣，由于副邊繞組的電流較大，考慮到電流的趨膚效應，所以副邊繞組采用了多股并繞。

4 實驗數(shù)據(jù)及結論

（1）電壓調整率：在額定負載情況下，當輸入交流電壓在85VAC-256VAC變化時，實測電路的電壓調整率如表2所示。

（2）交叉調整率：在額定輸入電壓下（220VAC），當負載在額定值的10%-100%變化時，實測電路的交叉調整率如表3所示。

（3）負載調整率：在額定輸入電壓下（220VAC），當負載在額定值的10%-100%變化時，實測電路的負載調整率與交叉調整率一樣。

（4）效率：在額定輸入電壓及額定負載情況下，實測電路的效率η=84%。

在額定輸入電壓及額定負載情況下，整個伺服系統(tǒng)能穩(wěn)定運行，測出的電源主輸出如圖2所示，測量時實現(xiàn)了10倍的衰減，從圖2可以看出，當系統(tǒng)正常工作時，紋波峰值電壓為0.06V，紋波小于3%，該電源作為伺服系統(tǒng)的輔助電源，在門極伺服系統(tǒng)和主軸伺服系統(tǒng)已得到實際應用，工作可靠。

TOPSwitch-GX系列單片開關電源具有單片集成化、外圍電路簡單、性能指標最佳、無工頻變壓器、能完全實現(xiàn)電氣隔離等顯著特點，極大簡化150W以下開關電源的設計和新產品的開發(fā)，能大大縮短開關電源的開發(fā)周期。多路輸出電源被廣泛應用于電機控制系統(tǒng)和其他電力電子設備中作為輔助電源，設計的多路輸出電源經實際應用證明是可靠的，稍加改動就可應用在其他控制系統(tǒng)和電路中。