基于TOP249Y芯片的開關(guān)電源設計

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；TOP249Y；脈寬調(diào)制；TOP Switch

１　引言

隨著ＰＷＭ技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，開關(guān)電源得到了廣泛的應用，以往開關(guān)電源的設計通常采用控制電路與功率管相分離的拓撲結(jié)構(gòu)，但這種方案存在成本高、系統(tǒng)可靠性低等問題。美國功率集成公司?ＰＯＷＥＲ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ Ｉｎｃ?開發(fā)的ＴＯＰ Ｓｗｉｔｃｈ系列新型智能高頻開關(guān)電源集成芯片解決了這些問題，該系列芯片將自啟動電路、功率開關(guān)管、ＰＷＭ控制電路及保護電路等集成在一起，從而提高了電源的效率，簡化了開關(guān)電源的設計和新產(chǎn)品的開發(fā)，使開關(guān)電源發(fā)展到一個新的時代。文中介紹了一種用ＴＯＰ Ｓｗｉｔｃｈ的第三代產(chǎn)品ＴＯＰ２４９Ｙ開發(fā)變頻器用多路輸出開關(guān)電源的設計方法。

２?。裕希校玻矗梗僖_功能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)

２．１ ＴＯＰ２４９Ｙ的管腳功能

ＴＯＰ２４９Ｙ采用ＴＯ－２２０－７Ｃ封裝形式，其外形如圖１所示。它有六個管腳，依次為控制端Ｃ、線路檢測端Ｌ、極限電源設定端Ｘ、源極Ｓ、開關(guān)頻率選擇端Ｆ和漏極Ｄ。各管腳的具體功能如下：

控制端Ｃ：誤差放大電路和反饋電流的輸入端。在正常工作時，利用控制電流ＩＣ的大小可調(diào)節(jié)占空比，并可由內(nèi)部并聯(lián)調(diào)整器提供內(nèi)部偏流。系統(tǒng)關(guān)閉時，利用該端可激發(fā)輸入電流，同時該端也是旁路、自動重啟和補償電容的連接點。

線路檢測端Ｌ：輸入電壓的欠壓與過壓檢測端，同時具有遠程遙控功能。ＴＯＰ２４９Ｙ的欠壓電流ＩＵＶ為５０μＡ，過壓電流Ｉａｖ為２２５μＡ。若Ｌ端與輸入端接入的電阻Ｒ１為１ＭΩ，則欠壓保護值為５０ＶＤＣ，過壓保護值為２２５ＶＤＣ。

極限電流設定端Ｘ：外部電流設定調(diào)整端。若在Ｘ端與源極之間接入不同的電阻，則開關(guān)電流可限定在不同的數(shù)值，隨著接入電阻阻值的增大，開關(guān)允許流過的電流將變小。

源極Ｓ：連接內(nèi)部ＭＯＳＦＥＴ的源極，是初級電路的公共點和電源回流基準點。

開關(guān)頻率選擇端Ｆ：當Ｆ端接到源極時，其開關(guān)頻率為１３２ｋＨｚ，而當Ｆ端接到控制端時，其開關(guān)頻率變?yōu)樵l率的一半，即６６ｋＨｚ。

漏極Ｄ：連接內(nèi)部ＭＯＳＦＥＴ的漏極，在啟動時可通過內(nèi)部高壓開關(guān)電流提供內(nèi)部偏置電流。

２．２ ＴＯＰ２４９Ｙ的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

ＴＯＰ２４９Ｙ的內(nèi)部工作原理框圖如圖２所示，該電路主要由控制電壓源、帶隙基準電壓源、振蕩器、并聯(lián)調(diào)整器／誤差放大器、脈寬調(diào)制器（ＰＷＭ）、門驅(qū)動級和輸出級、過流保護電路、過熱保護電路、關(guān)斷／自動重起動電路及高壓電流源等部分組成。

３ 基于ＴＯＰ２４９Ｙ的開關(guān)電源設計

筆者利用ＴＯＰ２４９Ｙ設計了一種新型多路輸出開關(guān)電源，其三路輸出分別為５Ｖ／１０Ａ、１２．５Ｖ／４Ａ、７Ｖ／１０Ａ，電路原理如圖３所示。該電源設計的要求為：輸入電壓范圍為交流１１０Ｖ～２４０Ｖ，輸出總功率為１８０Ｗ。由此可見，選擇ＴＯＰ２４９Ｙ能夠滿足要求。

３．１ 外圍控制電路設計

該電路將Ｘ與Ｓ端短接可將ＴＯＰ２４９Ｙ的極限電流設置為內(nèi)部最大值；而將Ｆ端與Ｓ端短接可將ＴＯＰ２４９Ｙ設為全頻工作方式，開關(guān)頻率為１３２ｋＨｚ。

圖2

在線路檢測端Ｌ與直流輸入Ｕｉ端連接一２ＭΩ的電阻Ｒ１可進行線路檢測，由于ＴＯＰ２４９Ｙ的欠壓電流ＩＵＶ為５０μＡ，過壓電流Ｉａｖ為２２５μＡ，因此其欠壓保護工作電壓為１００Ｖ，過壓保護工作電壓為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將自動關(guān)閉。

３．２ 穩(wěn)壓反饋電路設計

反饋回路的形式由輸出電壓的精度決定，本電源采用“光耦＋ＴＬ４３１”，它可以將輸出電壓變化控制在１％以內(nèi)，反饋電壓由５Ｖ／１２Ａ輸出端取樣。電壓反饋信號Ｕ０通過電阻分壓器Ｒ９、Ｒ１１獲得取樣電壓后，將與ＴＬ４３１中的２．５Ｖ基準電壓進行比較并輸出誤差電壓，然后通過光耦改變ＴＯＰ２４９Ｙ的控制端電流ＩＣ，再通過改變占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓Ｕ０使其保持不變。光耦的另一作用是對冷地和熱地進行隔離。反饋繞組的輸出電壓經(jīng)Ｄ２、Ｃ２整流濾波后，可給光耦中的接收管提供電壓。Ｒ４、Ｃ４構(gòu)成的尖峰電壓經(jīng)濾波后可使偏置電壓即使在負載較重時，也能保持穩(wěn)定，調(diào)節(jié)電阻Ｒ６可改變輸出電壓的大小。

３．３ 高頻變壓器設計

由于該電源的輸出功率較大，因此高頻變壓器的漏感應盡量小，一般應選用能夠滿足１３２ｋＨｚ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、次級繞組應相間繞制。

高頻變壓器的設計由于要考慮大量的相互關(guān)聯(lián)變量，因此計算較為復雜，為減輕設計者的工作量，美國功率公司為ＴＯＰ Ｓｗｉｔｃｈ開關(guān)電源的高頻變壓器設計制作了一套ＥＸＣＥＬ電子表格，設計者可以方便地應用電子表格設計高頻變壓器。

３．４ 次級輸出電路設計

輸出整流濾波電路由整流二極管和濾波電容構(gòu)成。整流二極管選用肖特基二極管可降低損耗并消除輸出電壓的紋波，但肖特基二極管應加上功率較大的散熱器；電容器一般應選擇低ＥＳＲ?等效串聯(lián)阻抗?的電容。為提高輸出電壓的濾波效果，濾除開關(guān)所產(chǎn)生的噪聲，在整流濾波環(huán)節(jié)的后面通常應再加一級ＬＣＣ濾波環(huán)節(jié)。

３．５ 保護電路設計

本電源除了電源控制電路ＴＯＰ２４９Ｙ本身所具備的欠壓、過壓、過熱、過流等保護措施外，其外圍控制電路也應有一定的保護措施。用Ｄ３、Ｒ１２、Ｑ１可構(gòu)成一個５．５Ｖ的過壓檢測保護電路。這樣，當５Ｖ輸出電壓超過５．５Ｖ時，Ｄ３擊穿使Ｑ１導通，從而使光耦電流增大，進而增大了控制電路ＴＯＰ２４９Ｙ的控制端電流ＩＣ，最后通過內(nèi)部調(diào)節(jié)即可使輸出電壓下降到安全值。

圖3

為防止在開關(guān)周期內(nèi)，ＴＯＰ２４９Ｙ關(guān)斷時漏感產(chǎn)生的尖峰電壓使ＴＯＰ２４９Ｙ損壞，電路中設計了由箝壓齊納管ＶＲ１、阻斷二極管Ｄ１、電容Ｃ５、電阻Ｒ２、Ｒ３組成的緩沖保護網(wǎng)絡。該網(wǎng)絡在正常工作時，ＶＲ１上的損耗很小，漏磁能量主要由Ｒ２和Ｒ３承擔；而在啟動或過載時，ＶＲ１即會限制內(nèi)部ＭＯＳＦＥＴ的漏極電壓，以使其總是處于７００Ｖ以下。

４ 電源性能測試及結(jié)果分析

根據(jù)以上設計方法，筆者對采用ＴＯＰ２４９Ｙ設計的多路輸出開關(guān)電源的性能進行了測試。實測結(jié)果表明，該電源工作在滿載狀態(tài)時，電源工作的最大占空比約為０．４，電源的效率約為９０％，紋波電壓控制、電壓調(diào)節(jié)精度及電源工作效率都超過了以往采用控制電路與功率開關(guān)管相分立的拓撲結(jié)構(gòu)形式的開關(guān)電源。

５　結(jié)論

由于ＴＯＰ２４９Ｙ芯片內(nèi)部集成有ＰＷＭ控制器、功率開關(guān)ＭＯＳＦＥＴ以及多種保護電路，所以采用該芯片設計出的開關(guān)電源具有成本低、外圍線路簡單、體積小、效率及可靠性高等特點，因而在中功率電子設備中具有廣泛的應用前景。本文設計的開關(guān)電源已應用于某變頻器的控制電路中，且取得了較好的應用效果。