基于TOP224YN的380V交流輸入反激式輔助電源的研制

作者 / 黃魯晨1 黃輝1 董雅茹1 王鑫2 1.北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院(北京 100044) 2.北京市電加工研究所(北京 100191)

摘要：基于PWM控制芯片TOP224YN，研制了一款380 V交流輸入、三路輸出的反激式開關(guān)電源?？紤]到芯片本身的耐壓能力與較大輸入電壓的矛盾，本設(shè)計(jì)采取了以TOP224YN外接MOSFET的方式，成功地解決了耐壓裕量不足的問題，突破了將該芯片用于大電壓輸入的開關(guān)電源的局限。在簡要介紹控制芯片的工作原理的基礎(chǔ)上，本文詳細(xì)闡述了電源的關(guān)鍵電路，如EMI濾波電路、高頻變壓器和反饋控制回路的設(shè)計(jì)流程。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試，驗(yàn)證了電源設(shè)計(jì)的正確性和可行性。該電源具有輸入電壓大、穩(wěn)壓性能優(yōu)良、紋波小、效率高和電磁兼容性好等優(yōu)點(diǎn)。

1 概述

　　開關(guān)電源和線性電源相比，具有效率高、體積小和穩(wěn)定性高等顯著優(yōu)勢，其應(yīng)用越來越廣泛。目前，市面上使用最多的AC-DC反激式開關(guān)電源主要分為四種輸入方式：一是85 V~265 V寬范圍交流輸入;二是100V/115V交流固定輸入;三是230 V±35 V交流固定輸入;四是100 V/115 V交流倍壓輸入方式^[1]。而大多數(shù)反激式開關(guān)電源采用220 V交流電壓供電。

　　本文為電火花機(jī)床電源供給系統(tǒng)研制了一款輔助電源，根據(jù)系統(tǒng)要求，該電源交流輸入為380V，集多路和穩(wěn)壓輸出為一體。考慮到美國PI公司生產(chǎn)的TOPSwitchⅡ芯片系列具有集成度高、外圍電路簡單的優(yōu)點(diǎn)，因此將其作為本設(shè)計(jì)的PWM控制芯片。但是，本芯片可承受的電壓與要求的輸入電壓相比，裕量不夠。因此，本設(shè)計(jì)通過將芯片外接MOSFET的方式解決此問題，這樣既滿足了輸入電壓值的要求，又保留了該芯片使用簡便的優(yōu)點(diǎn)。

2 主電路設(shè)計(jì)

　　2.1 電源設(shè)計(jì)指標(biāo)

　　根據(jù)電火花機(jī)床電源供給系統(tǒng)中的供電需求，設(shè)計(jì)的開關(guān)電源應(yīng)滿足以下指標(biāo)：設(shè)定電源交流輸入范圍為198 V~418 V，主要工作輸入電壓為交流380 V;輸出為：+15 V/0.5 A、-15 V/0.5 A和24 V/2 A，其地均與輸入側(cè)地隔離，其中±15 V輸出共地，與+24 V輸出隔離;開關(guān)頻率為100 kHz;總輸出功率為65 W，損耗分配系數(shù)為0.5;電源效率為80%。

　　2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　本次設(shè)計(jì)的輔助電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要包括TOP224YN外圍控制回路設(shè)計(jì)，EMI濾波電路、輸入整流濾波電路、鉗位電路、輸出整流濾波電路、LM2596穩(wěn)壓電路、反饋控制回路等。

　　2.3 TOP224YN芯片簡介及外圍電路設(shè)計(jì)

　　TOP Switch系列芯片是美國PI公司生產(chǎn)的三端離線式PWM/MOSFET復(fù)合開關(guān)，因其外圍電路簡單，可實(shí)現(xiàn)電氣隔離，保護(hù)功能齊全，適用于反激、正激、升降壓等各種拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用^[2]。

　　本電源的控制回路采用的是PWM控制芯片TOP224YN對主輸出進(jìn)行穩(wěn)壓，但僅使用該芯片只能適用于85V~265V交流輸入的電源，無法滿足系統(tǒng)需求的380V輸入。本設(shè)計(jì)提出的解決方案是采用控制芯片外接MOSFET的方式，通過與芯片內(nèi)部MOSFET的串聯(lián)來增大開關(guān)管的耐壓值，從而留出合適的裕量，保證開關(guān)電源穩(wěn)定可靠的工作。已知芯片耐壓值為700 V，外接的MOSFET耐壓值為900 V，而交流輸入電壓經(jīng)過整流濾波電路后施加在開關(guān)管上的電壓大約為537 V，可見這樣處理后使得整體的開關(guān)管的耐壓值大于輸入電壓的兩倍，設(shè)計(jì)合理。需要注意的是工作時(shí)要保證兩個(gè)開關(guān)管的同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷。這種方法不僅突破了采用TOP224YN控制芯片設(shè)計(jì)電路的局限性，并且使設(shè)計(jì)大電壓輸入的開關(guān)電源變得簡便，對大電壓輸入、集成度高的開關(guān)電源的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

　　TOP224YN外接MOSFET的具體電路如圖2(TOP224YN與外部MOSFET串聯(lián)電路模塊)所示，圖中d₁和s₁分別表示外部MOSFET的漏極和源極，d₂和s₂分別代表TOP芯片內(nèi)部MOSFET的漏極和源極，從原理圖上分析可知，當(dāng)d₂和s₂之間導(dǎo)通時(shí)， s₁被下拉到低電平，此時(shí)g₁和d₁均處于高電平，則外部MOSFET也處于導(dǎo)通狀態(tài);反之，當(dāng)d₂和s₂之間關(guān)斷時(shí)，電路斷開，d₁和s₁也無法導(dǎo)通，輸入電壓被分配到兩個(gè)MOSFET上，緩解了耐壓壓力。

　　此外，其他關(guān)鍵電路還有EMI濾波電路、高頻變壓器和反饋控制回路。其參數(shù)的選擇直接影響到電源的最終性能。下面將一一闡述。

3 其它關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

　　3.1 EMI濾波電路設(shè)計(jì)

　　考慮到電源的電磁兼容性，設(shè)計(jì)時(shí)在輸入輸出端均加入EMI濾波電路，一方面去除電網(wǎng)輸入的諧波，另一方面減小輸出紋波大小。電路主要包含X電容和Y電容，X電容(C₃和C₄)主要抑制差模干擾，根據(jù)文獻(xiàn)[3]中濾波器參數(shù)的設(shè)置方法，本設(shè)計(jì)X電容值為10 nF;Y電容(C₁和C₂)主要抑制共模干擾，容值為10 nF，EMI電路所用共模電感，通常取值為5~33 mH，本設(shè)計(jì)取10 mH。

　　3.2 高頻變壓器設(shè)計(jì)

　　3.2.1 計(jì)算最大占空比

　　在輸入電壓最小值時(shí)取到最大占空比D_max，公式為

(1)

　　其中，V_or為反射電壓，取135 V;V_imin為最小輸入直流電壓，因?yàn)殡娫唇涣鬏斎敕秶鸀?98 V~418 V，則根據(jù)文獻(xiàn)[4]中對應(yīng)關(guān)系可得，直流電壓輸入范圍為213V~591 V，則V_imin=213 V;V_dson是主開關(guān)導(dǎo)通時(shí)的漏源間壓降，典型值為10 V。

　　3.2.2 選擇磁芯規(guī)格

　　根據(jù)AP法^[5]

(2)

　　其中，k_f為波形因數(shù)，方波時(shí)為4;k₀為窗口使用系數(shù)，一般取0.3;f_s為開關(guān)頻率;B_w為工作磁感應(yīng)強(qiáng)度，大多數(shù)鐵氧體的飽和磁通密度B_s在0.3 T(300 mT)左右，一般取B_w=(1/3~2/3)Bs，本設(shè)計(jì)取B_w=(2/3)Bs;J為電流密度，取J=4×106 A/m;P_t為視在功率，值為146.25 W。查磁芯規(guī)格表，可選取EC35型磁芯。

　　3.2.3 計(jì)算初、次級匝數(shù)

　　應(yīng)該按照最大輸入直流電壓來計(jì)算初級繞組匝數(shù)N_p^[7]，根據(jù)電磁感應(yīng)定律

(3)

　　其中，A_e為磁芯有效截面積，由磁芯型號查表可得A_e=84.3 mm2。代入公式得N_pA_e=11525.5 匝×mm2，則N_p=136.7，取值140 匝。

　　次級匝數(shù)N_S=[(V_out+V_d)(1-D_max)N_p]/(V_iminD_max)，其中V_out為各路輸出電壓值，V_d為輸出整流二極管正向壓降，典型值0.8 V。計(jì)算得次級匝數(shù)分別為：

　　26 匝(+24 V輸出)，17 匝(±15 V輸出)。

　　3.2.4 計(jì)算初級電感量

　　初級繞組流過的峰值電流

　　3.3 反饋控制回路設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)的反饋控制回路主要包括光耦PC817、穩(wěn)壓管TL431和TOP224YN，工作方式是通過采樣電壓與TL431的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行對比，改變TL431陰極電位的大小，使得流經(jīng)PC817的電流值發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致TOP224YN上的控制電流Ic的值發(fā)生相應(yīng)改變，調(diào)節(jié)占空比，控制開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。

　　確定完控制策略以后，主要是計(jì)算回路中各電阻的阻值。根據(jù)公式V_ref=[R₂₂/(R₂₀+R₂₂)]/V_out，其中V_ref為穩(wěn)壓源TL431提供的參考端電壓，為2.5 V;V_out=24 V為正常輸出電壓;取R₂₂為7.5 kΩ，得到R₂₀=64.5 kΩ。TOP芯片上的控制端電流I_c為4 mA，根據(jù)對應(yīng)關(guān)系得到流過光耦的正向電流I_f=3 mA，又依據(jù)R₁₉=(V_r18+V_f)/(I_ka-I_f)，其中V_r18為電阻R18上的壓降，由于R₁₈=1 kΩ，則V_r18= I_f×R₁₈=3 V;Vf為PC817中二極管的正向壓降，典型值為1.2 V;I_ka為采樣支路電流，取7.2 mA;R₁₈=1 kΩ，可得R₁₉=1 kΩ。根據(jù)功耗方面考慮，R₁₉應(yīng)小于1.2 kΩ，故滿足設(shè)計(jì)條件。

4 樣機(jī)測試結(jié)果及分析

　　對設(shè)計(jì)的開關(guān)電源樣機(jī)性能進(jìn)行測試，分別測試在輕載、半載、重載和滿載情況下的開關(guān)管工作波形、輸出電壓及紋波等。本文列出滿載情況下的測試波形圖。

　　圖3~圖5給出了實(shí)測波形。由圖可見當(dāng)外部MOSFET柵源極電壓為正時(shí)，控制芯片內(nèi)部MOSFET漏源極導(dǎo)通;反之，內(nèi)部MOSFET承受338 V電壓，接近其耐壓值的一半，滿足使用條件，也保證了外部MOSFET的承受電壓在900 V的耐壓值范圍之內(nèi)，工作穩(wěn)定。滿載情況下紋波電壓為294 mV，小于1.23%，滿足設(shè)計(jì)要求。

　　通過調(diào)試分析，該電源工作穩(wěn)定，性能優(yōu)良，可為電源供給系統(tǒng)提供穩(wěn)定電壓。

5 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了一款基于TOP224YN的380V交流輸入，+24 V，±15 V三路輸出的反激式輔助電源。通過詳細(xì)的分析推導(dǎo)，選取合適的元器件，通過Saber仿真驗(yàn)證了參數(shù)選取的正確性。樣機(jī)實(shí)測結(jié)果表明，電源各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求，輸出穩(wěn)定，性能良好，此電源已被運(yùn)用在電火花機(jī)床電源供給系統(tǒng)中，作為系統(tǒng)的輔助電源使用。本設(shè)計(jì)中采用的PWM控制芯片外接單管MOSFET的方法對較大輸入電壓的電源的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

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　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第10期第53頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。