基于TOPSwitch-GX系列的伺服系統(tǒng)多輸出開(kāi)關(guān)電源
1 引言
多路輸出開(kāi)關(guān)電源廣泛應(yīng)用在各種復(fù)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(jìn)行反饋調(diào)節(jié)控制,以保證在輸入電壓及負(fù)載變化時(shí)保持輸出電壓穩(wěn)定,由于受變壓器各個(gè)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(fù)載的變化而變化,通常,當(dāng)主輸出滿載和輔助輸出輕載時(shí),輔助輸出電壓將升高,而當(dāng)主輸出輕載和輔助輸出滿時(shí),輔助輸出電壓將降低,這就是多路輸出的負(fù)載交叉調(diào)整率問(wèn)題,筆者基于topswitch-gx系列設(shè)計(jì)了一種多路輸出開(kāi)關(guān)電源,很好的解決了多路輸出的負(fù)載交叉調(diào)整率問(wèn)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(fù)載交叉調(diào)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(kāi)關(guān)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(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定性能好、交叉調(diào)整率小、電壓紋波小的開(kāi)關(guān)電源是一個(gè)急需解決的問(wèn)題。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/21338.htm2 topswitch-gx系列簡(jiǎn)介
2.1 與topswitch-fx的性能比較
topswitch系列單片機(jī)開(kāi)關(guān)電源是美國(guó)功率集成公司于上世紀(jì)90年代中期推出的新型高頻開(kāi)關(guān)電源,它是三端離線式pwm開(kāi)關(guān)的英文縮寫(three terminal off line pwm switch)被譽(yù)為“頂級(jí)開(kāi)關(guān)電源”。它的特點(diǎn)是將高頻開(kāi)關(guān)電源中的pwm控制器和mosfet功率開(kāi)關(guān)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(chǎn)品,除具備topswitch-fx系列的全部?jī)?yōu)點(diǎn)外,它還將最大輸出功率從75w提高到290w,適合構(gòu)成大中功率的高效率,隔離式開(kāi)關(guān)電源;將開(kāi)關(guān)頻率提高到132khz,有助于減小高頻變壓器及整個(gè)開(kāi)關(guān)電源的體積,適合作為伺服電機(jī)控制板的板載電源的主控器件,當(dāng)開(kāi)關(guān)電源負(fù)載很輕時(shí),它能自動(dòng)將開(kāi)關(guān)頻率從132khz降低到30khz(在半頻模式下,則由66khz降到15khz),可降低開(kāi)關(guān)損耗,進(jìn)一步提高電源效率,采用被稱作ecosmart的節(jié)能新技術(shù),顯著降低了在遠(yuǎn)程通/斷模式下的功耗,當(dāng)輸入交流電壓是230v時(shí),功耗僅為160mw。
2.2 topswitch-gx的工作原理
topswitch-gx的內(nèi)部主要由18個(gè)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(chǔ)上作了一些改進(jìn),在原有的5個(gè)組成部分上新增加了3個(gè)單元電路,電流極限調(diào)節(jié)器也增加了軟啟動(dòng)輸出端;將頻率抖動(dòng)振蕩器產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)頻率提升到132khz(全頻模式)或66khz(半頻模式);給頻率抖動(dòng)振蕩器增加了一個(gè)“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(lái)調(diào)節(jié)占空比d,達(dá)到穩(wěn)壓目的,當(dāng)輸出電壓u0降低時(shí),經(jīng)過(guò)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(dāng)輸出電壓uo升高時(shí),通過(guò)內(nèi)部調(diào)節(jié),也能使u0維持不變。
3 電源主電路設(shè)計(jì)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(duì)板載電源的要求是電壓紋波小于5%,多路輸出電壓交叉調(diào)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(dòng),避免瞬間高壓對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響,根據(jù)系統(tǒng)要求,設(shè)計(jì)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(wú)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?fù)浣Y(jié)構(gòu),選用topswitch-gx系列電路,當(dāng)電源輸入電流85v-265v時(shí),交流電壓u依次經(jīng)過(guò)電磁干擾(emi)濾波器、輸入整流濾波器和系列軟啟動(dòng)電路得到直流高壓dcp,dcp經(jīng)過(guò)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(jià)格較高的tvs(瞬態(tài)電壓抑制器),用于吸收在top244y關(guān)段時(shí)高頻變壓器漏感產(chǎn)生的尖峰電壓,對(duì)漏極起到保護(hù)作用,次級(jí)電壓經(jīng)整流、濾波后變?yōu)槎嗦份敵?,其?5v電源輸出和輔助輸出用的是快速恢復(fù)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l(fā)mv431a型可調(diào)試精密并聯(lián)穩(wěn)壓管,為減小高頻變壓器體積和增強(qiáng)磁場(chǎng)耦合程度,次級(jí)繞組采用了堆疊式繞法。lmv431a的內(nèi)部參考電壓為2.495v,輸出電壓經(jīng)電位器和r65分壓,可調(diào)電壓2.5v(基準(zhǔn)值)至37v(最大值)之間,r66和c75構(gòu)成lmv431a的頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。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(kāi)關(guān)電源的輸出側(cè)接入共模扼流圈,以改善電磁噪聲。
3.3 多路輸出交叉調(diào)整率
對(duì)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(yīng)有獨(dú)立的閉環(huán)穩(wěn)壓回路,如果只有一路輸出是重負(fù)載,其他路輸出的副載較輕,對(duì)于輸出電壓精度要求不是很嚴(yán)格,則只需給重負(fù)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(fù)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變壓器就能改善多路輸出交叉調(diào)整率。
在這種開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)過(guò)程中,由于高頻變壓器參數(shù)對(duì)開(kāi)關(guān)電源的性能影響很大,所以高頻變壓器的設(shè)計(jì)是很重要的,對(duì)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(jí)繞組的耦合程度對(duì)輸出阻抗也有很大影響,所以設(shè)計(jì)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(jí)繞組要耦合得最好,以利于提高交叉調(diào)整率,通過(guò)實(shí)驗(yàn)與分析,對(duì)本系統(tǒng)中采用的變壓器,繞組的最佳繞制順序?yàn)橄壤@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(huì)導(dǎo)致變壓器電壓的尖峰,對(duì)于反激變壓器,該尖峰直接引起輔助輸出輕載時(shí)輸出電壓的攀升。如果能保持箝位電壓的大小略高于次級(jí)反射電壓,則多路輸出反激式開(kāi)關(guān)電源的交叉調(diào)整率能得到極大的改進(jìn),這里采用在變壓器原邊并聯(lián)由一個(gè)箝位二極管和一個(gè)快恢復(fù)二極管構(gòu)成的箝位電路的方法,這個(gè)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(jí)反射電壓為135v,采用200v的p6ke型箝位二極管和fr1107型快恢復(fù)二極管。
采取上述措施后,多路輸出電壓的交叉調(diào)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(fù)載交叉調(diào)整率小于5%。
3.4 高頻變壓器的設(shè)計(jì)
單端反激式高頻開(kāi)關(guān)變壓器是開(kāi)關(guān)電源的關(guān)鍵,這種變壓器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)耦合電感器,它要具有著儲(chǔ)能、變壓、傳遞能量等功能,筆者采用面積乘積法來(lái)設(shè)計(jì)高頻變壓器。
3.4.1 設(shè)計(jì)已知參數(shù)
這些參數(shù)由設(shè)計(jì)人員根據(jù)用戶需求和電路的特點(diǎn)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(kāi)關(guān)頻率fs(或周期t),線路主開(kāi)關(guān)管的耐壓vmos。
3.4.2 設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)管的耐壓,同時(shí)還要留有一定的裕量(此處假設(shè)為150v),反激電壓由下式確定:
vf=vmos-vindcmax-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
np/ns=vf/vout (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
vindcmaxdmax=vf(1-dmax) (3)
設(shè)在最大占空比時(shí),當(dāng)開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí),原邊電流為ip1;當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí),原邊電流上升到縫制電流ip2。若ip1為0,則說(shuō)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(ip1+ip2)dmaxvindcmax=pout/η (4)
在一般連續(xù)模式設(shè)計(jì)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:
lp=dmaxvindcmax/fsδip (5)
對(duì)于連續(xù)模式,δip=ip2-ip1=2ip1;對(duì)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(yīng)強(qiáng)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(zhǎng)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(shí)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):
np=lpip2104/bwae (7)
再根據(jù)原邊與副邊的匝比關(guān)系求出副邊的匝數(shù),有時(shí)求的匝數(shù)不是整數(shù),這時(shí)應(yīng)該調(diào)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(yīng)該在磁回路中加入一個(gè)適當(dāng)?shù)臍庀秎g,其值由下式計(jì)算:
lg=0.4πnp2ae10-8/lp (8)
至此,單端反激開(kāi)關(guān)電源變壓器的主要參數(shù)已經(jīng)確定,在設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)結(jié)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(jīng)驗(yàn)定),fs=132khz,vmox=700v。
電路采用斷續(xù)工作方式,經(jīng)過(guò)反復(fù)計(jì)算與實(shí)驗(yàn),設(shè)計(jì)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(yīng),所以副邊繞組采用了多股并繞。
4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)論
(1)電壓調(diào)整率:在額定負(fù)載情況下,當(dāng)輸入交流電壓在85vac-256vac變化時(shí),實(shí)測(cè)電路的電壓調(diào)整率如表2所示。
(2)交叉調(diào)整率:在額定輸入電壓下(220vac),當(dāng)負(fù)載在額定值的10%-100%變化時(shí),實(shí)測(cè)電路的交叉調(diào)整率如表3所示。
(3)負(fù)載調(diào)整率:在額定輸入電壓下(220vac),當(dāng)負(fù)載在額定值的10%-100%變化時(shí),實(shí)測(cè)電路的負(fù)載調(diào)整率與交叉調(diào)整率一樣。
(4)效率:在額定輸入電壓及額定負(fù)載情況下,實(shí)測(cè)電路的效率η=84%。
在額定輸入電壓及額定負(fù)載情況下,整個(gè)伺服系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行,測(cè)出的電源主輸出如圖2所示,測(cè)量時(shí)實(shí)現(xiàn)了10倍的衰減,從圖2可以看出,當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí),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(shí)際應(yīng)用,工作可靠。
topswitch-gx系列單片開(kāi)關(guān)電源具有單片集成化、外圍電路簡(jiǎn)單、性能指標(biāo)最佳、無(wú)工頻變壓器、能完全實(shí)現(xiàn)電氣隔離等顯著特點(diǎn),極大簡(jiǎn)化150w以下開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)和新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā),能大大縮短開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)發(fā)周期。多路輸出電源被廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制系統(tǒng)和其他電力電子設(shè)備中作為輔助電源,設(shè)計(jì)的多路輸出電源經(jīng)實(shí)際應(yīng)用證明是可靠的,稍加改動(dòng)就可應(yīng)用在其他控制系統(tǒng)和電路中。
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評(píng)論