基于TOP249Y芯片的開關(guān)電源設(shè)計方法
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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(yīng)用,以往開關(guān)電源的設(shè)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(shè)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(shè)計方法.
2 TOP249Y引腳功能和內(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(shè)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(shè)定端X:外部電流設(shè)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(shè)計
筆者利用TOP249Y設(shè)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(shè)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(shè)計
該電路將X與S端短接可將TOP249Y的極限電流設(shè)置為內(nèi)部最大值;而將F端與S端短接可將TOP249Y設(shè)為全頻工作方式,開關(guān)頻率為132kHz.
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(shè)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(shè)計
由于該電源的輸出功率較大,因此高頻變壓器的漏感應(yīng)盡量小,一般應(yīng)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(yīng)相間繞制.
高頻變壓器的設(shè)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(shè)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(shè)計制作了一套EXCEL電子表格,設(shè)計者可以方便地應(yīng)用電子表格設(shè)計高頻變壓器.
3.4 次級輸出電路設(shè)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(yīng)加上功率較大的散熱器;電容器一般應(yīng)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(yīng)再加一級LCC濾波環(huán)節(jié).
3.5 保護電路設(shè)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(yīng)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.
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(shè)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(luò).該網(wǎng)絡(luò)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.
根據(jù)以上設(shè)計方法,筆者對采用TOP249Y設(shè)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(shè)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(shè)備中具有廣泛的應(yīng)用前景.本文設(shè)計的開關(guān)電源已應(yīng)用于某變頻器的控制電路中,且取得了較好的應(yīng)用效果.
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