基于TOP234Y的電壓可調(diào)數(shù)控開關(guān)電源設(shè)計
引言
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/178541.htm隨著電源電子技術(shù)的高速發(fā)展,普通的開關(guān)電源逐漸顯示出了其在現(xiàn)代高科技產(chǎn)品設(shè)計中的眾多不足之處,尤其是開關(guān)電源的智能化要求。然而,數(shù)字控制開關(guān)電源卻在這方面突現(xiàn)了優(yōu)勢,數(shù)字控制易于采用先進(jìn)的控制方法和智能控制策略,可以從根本上提高系統(tǒng)的性能指標(biāo),減少控制電路的元器件數(shù)量,縮小控制板體積,提高系統(tǒng)的抗干擾能力,提高控制系統(tǒng)的可靠性[1]。本文設(shè)計一種基于PWM控制器和MOSFET集成芯片TOPSwitch-FX TOP234Y的電壓可調(diào)數(shù)字控制開關(guān)電源。該電源主要用于產(chǎn)品的測試和開發(fā),也可以做智能控制的電源。
2 總體設(shè)計方案
數(shù)字控制開關(guān)電源是一種基于數(shù)字信號控制調(diào)節(jié)其輸出電壓的、初步實現(xiàn)開關(guān)電源的數(shù)字化和智能化控制的電路系統(tǒng)。電壓可調(diào)數(shù)字控制開關(guān)電源要求由按鈕控制電壓輸出值在5~40V范圍內(nèi)的步加、步減調(diào)節(jié),步進(jìn)精度為0.2V,并隨時可以調(diào)回最低值或預(yù)置為最高值,輸出電壓的精度不低于0.1V[2],最大輸出功率不低于20W。
2.1系統(tǒng)設(shè)計
設(shè)計一種基于TOP234Y的電壓可調(diào)數(shù)控開關(guān)電源,利用PWM原理控制占空比,采用可逆計數(shù)器計數(shù)并經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換放大做控制信號,對輸出電壓進(jìn)行相對較大范圍的調(diào)節(jié),由反饋電路確保電壓的穩(wěn)定性,數(shù)字芯片電源由內(nèi)部電源提供。
按功能系統(tǒng)可基本劃分為兩大部分,即開關(guān)電源的模擬部分和數(shù)字控制部分。模擬部分實現(xiàn)開關(guān)電源電壓的整流、濾波、功率變換、限流保護(hù)等功能;數(shù)字控制部分主要是通過計數(shù)調(diào)壓控制信號調(diào)節(jié)PWM占空比來改變電壓輸出值并控制反饋信號以保持電壓輸出值的穩(wěn)定。
2.2基本設(shè)計思路
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括模擬開關(guān)電源、反饋電路、PWM及比較器控制和數(shù)字調(diào)壓控制四大模塊。其系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。
模擬開關(guān)電源部分對輸入交流市電進(jìn)行濾波、抗電磁干擾處理、整流、功率變換和穩(wěn)壓等。數(shù)字器件要求提供的電源基本保持不變,但輸出電壓會隨數(shù)控調(diào)節(jié)不斷改變,所以開關(guān)功率變換次級輸出只能在經(jīng)過穩(wěn)壓處理才能用作內(nèi)部電源,這里在電壓不超過最大值的情況下采用三端穩(wěn)壓器。
開關(guān)電源反饋采用輸出電壓的雙向控制。調(diào)壓控制信號和反饋信號采用比較器作比較放大后送PWM控制器,使兩者不會產(chǎn)生沖突,也不會漏掉其中任一控制信號,兩者同時控制開關(guān)脈沖的占空比來調(diào)節(jié)和穩(wěn)定電壓[3]??刂菩盘柕碾妷号c輸出電壓的關(guān)系是由PWM控制器實現(xiàn)線性控制,故PWM控制器必須用線性PWM控制器件。
在反饋電路中,若輸出電壓偏高,誤差放大反饋信號進(jìn)入比較器經(jīng)比較輸出的電壓也偏高。轉(zhuǎn)化后的反饋信號電壓與脈沖調(diào)制器前置的比較器的計數(shù)調(diào)壓控制電壓比較后的電壓偏低,導(dǎo)致占空比的寬度變窄,引起輸出電壓下降[4];反之亦然。調(diào)壓控制的原理與反饋控制原理相似,但這里集成在TOP芯片中。
在數(shù)字調(diào)壓控制模塊,由按鈕控制計數(shù)器的步加、步減、清零和預(yù)置為最大值,并由計數(shù)器輸出一個相應(yīng)的電壓信號。計數(shù)器輸出的信號為數(shù)字量,故須再經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換形成相應(yīng)的控制電壓,即數(shù)字調(diào)壓控制信號。
3電路設(shè)計
3.1 PWM控制器和MOSFET集成芯片TOPSwitch-FX介紹
TOPSwitch-FX系列有三種封裝形式,其中TO-220-7B封裝有5個引出端,它們分別是控制端C、多功能端M、源極S、開關(guān)頻率選擇端F和漏極D。多功能端主要有線路過壓和欠壓保護(hù)、利用線路電壓前饋來降低占空比Dmax、從外部設(shè)定芯片的極限電流ILIMIT等功能。
TOPSwitch-FX主要由門驅(qū)動級和輸出級、控制電壓源、帶隙基準(zhǔn)電壓源、頻率抖動振蕩器、并聯(lián)調(diào)整器/誤差放大器、脈寬調(diào)整器等主要部分組成。它的工作原理是利用反饋電流IC來調(diào)節(jié)占空比Dmax,達(dá)到穩(wěn)定電壓的目的。例如,當(dāng)輸出電壓UO↑時,經(jīng)過光耦合反饋電路使得IC↑→Dmax↓→UO↓,最終使UO保持不變。
TOPSwitch-FX有一大特性,當(dāng)控制端電流IC在規(guī)定范圍內(nèi),而多功能端的輸入電流IM為定值時,脈寬調(diào)制器的輸出占空比Dmax與IC成反比。PWM的增益為:
K=ΔD/ΔIC= —22%/mA
即
ΔD=K×ΔIC= —22%••••••••••••••••••⑴
由式⑴可知,占空比隨IC的增大而減小。實際上,占空比不僅與IC有關(guān),還取決于IM值[5]。
3.2 配有TL431的光耦合雙向反饋電路
目前,在普通開關(guān)電源中可由多種方式進(jìn)行輸出反饋。在輸出電壓采樣電路中,一般有鉗位電路。基本原理是比較輸出電壓是高于還是低于鉗位電壓[6]。但在電壓可調(diào)的開關(guān)電源中,因為輸出電壓本身是要求變化的,所以不能用類似的反饋電路。
為了克服這一難題,在電路反饋原理上不再采用單獨的縱向比較,而是縱向、橫向比較相結(jié)合。橫向是比較兩輸出電路電壓是否相同,而縱向比較是在另一路輸出中加入延時操作,同時在調(diào)壓時禁止反饋。
具體的電路是在第二路輸出經(jīng)整流濾波后加延時器,再與第一路進(jìn)行比較,從而實現(xiàn)縱向比較。而為了在調(diào)壓時禁止反饋,反饋輸出后加脈沖控制反饋電路的通斷,當(dāng)有調(diào)壓脈沖信號存在時,反饋通路中斷,這里由壓控繼電器來實現(xiàn)。另外,由于電壓的精度要求高,在電路反饋中必須對誤差電壓進(jìn)行放大,中間加比較器放大器后進(jìn)行反饋。同時在電路中對輸出采用光耦合器件TL431隔離,提高電壓調(diào)整率[7]。
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