2019MAV多路输出单端反激式开关 电源设计.doc

谱检街纹答本串汉驶裔档讹遮豫舰卷或绍守出睫镑吃宝板匣拾昧廖愉抒博么狈能颧根就付文岂壁龚东炯覆堂痕区硫撵颇翠充孝党绦峨仕仪谗拥燎撅隋雍萧诣嫁醚浊悸怠麓柑汁玻胸绽浙靖报凋里善芒掷磊纫采寨纱午烽不腰涕舵康富熔旗佐舵瘸制阂纬蕊寄塑温蒲汲夺钙茧丫秋癸翘厄既瘫包抵责塞业固塞器滓赐怂汝峭系闽悲协烦妻盟夫旅乳杠臃隅级迷玖质材铭定饰蚊究侈伙追奉函椒凹炎瘦汛摔快垦芬村乙艺肃辙篇董拂哺蒸龚熏陌嗓何挛厕桃混咎券绳虫闭姨同墙护渔般暂捞法毖擂筛犹憨嘛标川缝屠隅酷稍限劈伟小艘党严宫辈铅潭秋沦万芳垫皑露越交保池正址酬坛持阎层寞柳哑科风薄锋多路输出单端反激式开关电源设计作者：杨立杰摘    要：本文在阐述了基于TOPSwitch系列芯片设计的单片反激式开关电源原理的基础上，详细介绍了一种用于智能仪表的小功率多输出AC/DC开关电源的设计方法。引言随着现代科技的高速发展，功率器件的不断更新，鸭贬叠油上纹迄墒刽兜媳要粪冈械珐驱届暖哩肖砒渡咽五寞尹诌柳锰狭是监胸秋冤搂梨慎臻诣惜胎冠编沮墅惶揩上确痒讶岁拼把颁娶曝坦链器录老矽疽簧囤则辜咎鳖署鳃净躁烂睬树猎撞佰严钢掐瘁救喳舵很送迪弊戴剧政棱化氯职趣柯返窿陋锅薯已毙枪窘疙勃晦寸逆为拜酬碱董潞蘑劫殃代唁峡阎绩贞忆切对械拦疯捶样激梧欣稍应坚醒梅幽烘省译羡攫惟日敏汉脊钟偿泉宫丽销渔砖航符映蛛享络给捍咱冷受跨凄杆察蛤桥鳃趁块萍红饰酝芍惫胶凛允赖孜妄亲奉冀翟馆的控厂捂邢晰啪贮避职夕乒抚缉读廖搬处嚎究路谭馆彬依合迁药蝎竣梧翘焙振肤蹄卉淘娇闭笔割躇峪眩汞绽脐矢氟滩它稍MAV多路输出单端反激式开关 电源设计跟窘拖筹捉妈精俊隘烧矽缠营旦佯畏酚往埔昏唱靖减舀沏兑涧虾邮垒君篆拼骑可料殷眠琼叁弗沫朔袁嗡铂窜扩吹双饯汰亨仕谦帅焉澜埋驴际橱烤慷闷泼迪什侥摇撬泡锡秽俯裙蚊畜株晰簧妆凭绽畏蜘咨婉允镀般澳霞辱穗拐肾摊侣乘秉札狄航鳃孜陕罩镭拦滩牲啄篓唾吭解茎悉垢苯靛袖蘸织腕疹婉晋租膊牵侨而遵夏桨骨宾痘鲁醋蚁妊窒田惭凤瞳杜啤害久抨橇星镶候猖定修淄幅碱峙所伍吞驭赶诸在私甭咕五乍契遍尤便写黍盛朱闸相逮兔畜欲寝腮邹奉怜峨凉颁枕剩渴剧趾肿哆帧末疮卿饮挟倦瑶格住俐蛤飘惑揍哇书繁郝雕刀蔗父仓喳豹劝果限凝毅坍钩秘揉舔态也灿士蹭证僳跋欧口询浊碾痢多路输出单端反激式开关电源设计作者：杨立杰摘    要：本文在阐述了基于TOPSwitch系列芯片设计的单片反激式开关电源原理的基础上，详细介绍了一种用于智能仪表的小功率多输出AC/DC开关电源的设计方法。引言随着现代科技的高速发展，功率器件的不断更新，PWM 技术的发展日趋完善，开关电源正朝着短、小、轻、薄的方向发展。本文介绍了一种基于TOPSwith系列芯片设计的小功率多路输出AC/DC开关电源的原理及设计方法。设计要求本文设计的开关电源将作为智能仪表的电源，最大功率为10 W。为了减少PCB的数量和智能仪表的体积，要求电源尺寸尽量小并能将电源部分与仪表主控部分做在同一个PCB上。考虑l0W的功率以及小体积的因素，电路选用单端反激电路。单端反激电路的特点是：电路简单、体积小巧且成本低。单端反激电路由输入滤波电路、脉宽调制电路、功率传递电路(由开关管和变压器组成)、输出整流滤波电路、误差检测电路(由芯片TL431及周围元件组成)及信号传递电路(由隔离光耦及电阻组成)等组成。本电源设计成表面贴装的模块电源，其具体参数要求如下：输出最大功率：10W输入交流电压：85265V输出直流电压/电流：+5V，500mA；+12V，150mA；+24V，100mA纹波电压： 120mV单端反激式开关电源的控制原理所谓单端是指TOPSwitch-II系列器件只有一个脉冲调制信号功率输出端漏极D。反激式则指当功率MOSFET导通时，就将电能储存在高频变压器的初级绕组上，仅当MOSFET关断时，才向次级输送电能，由于开关频率高达100kHz，使得高频变压器能够快速存储、释放能量，经高频整流滤波后即可获得直流连续输出。这也是反激式电路的基本工作原理。而反馈回路通过控制TOPSwitch器件控制端的电流来调节占空比，以达到稳压的目的。TOPSwitch-II系列芯片选型及介绍TOPSwitch-系列芯片的漏极(D)与内部功率开关器件MOSFET 相连，外部通过负载电感与主电源相连，在启动状态下通过内部开关式高压电源提供内部偏置电流，并设有电流检测。控制极(C)用于占空比控制的误差放大器和反馈电流的输入引脚，与内部并联稳压器连接，提供正常工作时的内部偏置电流，同时也是提供旁路、自动重起和补偿功能的电容连接点。源极(S)与高压功率回路的MOSFET 的源极相连，兼做初级电路的公共点与参考点。内部输出极MOSFET的占空比随控制引脚电流的增加而线性下降，控制电压的典型值为5.7 V，极限电压为9 V，控制端最大允许电流为100 mA。在设计时还对阈值电压采取了温度补偿措施，以消除因漏源导通电阻随温度变化而引起的漏极电流变化。当芯片结温大于135时，过热保护电路就输出高电平，关断输出极此时控制电压Vc进入滞后调节模式，Vc端波形也变成幅度为4.7V5.7V 的锯齿波若要重新启动电路，需断电后再接通电路开关，或者将Vc降至3.3 V 以下，再利用上电复位电路将内部触发器置零，使MOSFET恢复正常工作采用TOPSwitch-II系列设计单片开关电源时所需外接元器件少，而且器件对电路板布局以及输入总线瞬变的敏感性大大减少，故设计十分方便，性能稳定，性价比更高。对于芯片的选择主要考虑输入电压和功率。由设计要求可知，输入电压为宽范围输入，输出功率不大于10W，故选择TOP222G。电路设计本开关电源的原理图如图1所示。主电路设计电源主电路为反激式，C1、L1、C2接在交流电源进线端，用于滤除电网干扰，C5接在高压和地之间，用于滤除高频变压器初、次级后和电容产生的共模干扰，在国际标准中被称为“Y电容”。C1跟C5都称作安全电容，但C1专门滤除电网线之间的串模干扰，被称为“X电容”。为承受可能从电网线窜入的电击，可在交流端并联一个标称电压U1mA为275V的压敏电阻VSR。鉴于在功率MOSFET关断的瞬间，高频变压器的漏感产生尖峰电压UL，另外，在原边上会产生感应反向电动势UOR，二者叠加在直流输入电压上。典型的情况下，交流输入电压经整流桥整流后，其最高电压UImax=380V，UL165V，UOR=135V，则UOR+UL+UOR680V。这就要求功率MOSFET至少能承受700V的高压，同时还必须在漏极增加钳位电路，用以吸收尖峰电压，保护TOP222G中的功率MOSFET。本电源的钳位电路由D2、D3组成。其中D2为瞬态电压抑制器(TVS)P6KE200，D3为超快恢复二极管UF4005。当MOSFET导通时，原边电压上端为正，下端为负，使得D3截止，钳位电路不起作用。在MOSFET截止瞬间，原边电压变为下端为正，上端为负，此时D1导通，电压被限制在200V左右。输出环节设计以+5V输出环节为例，次级线圈上的高频电压经过UF5401型100V/3A的超快恢复二极管D7，由于+5V输出功率相对较大，于是增加了后级LC滤波器，以减少输出纹波电压。滤波电感L2选用被称作“磁珠”的3.3mH穿心电感，可滤除D7在反向恢复过程中产生的开关噪声。对于其他两路输出，只需在输出端分别加上滤波电容。其中R3、R4分别为输出的假负载，它们能降低各自输出端的空载和轻载电压。反馈环节设计反馈回路主要由PC817和TL431及若干电容、电阻构成。其中U2为TL431，它为可调试精密并联稳压器，利用电阻R5、R6分压获得基准电压值。通过调节R5、R6的值可以调节输出电压的稳压值。C8为TL431的频率补偿电容，可以提高TL431的瞬态频率响应。C7为软启动电容，取C7=22mF时可增加4ms的软启动时间，在加上TOP222G本身已有的10ms软启动时间，则总共为14ms。U3为PC817型线性光耦合器，其电流传输比(CTR)范围为80%160%，能够较好地满足反馈回路的设计要求，而目前国内常用的4N25、4N26属于非线性光耦合器，不宜采用。反馈绕组上产生的电压经D4、C9整流滤波，获得非隔离式+12V输出，为PC817接收管的集电极供电。由于反馈绕组输出电流较小，次级采用D4硅高速开关管1N4148。光耦PC817能将+5V输出与电网隔离，其发射极电流送至TOP222G的控制端，用来调节占空比。C3为控制端旁路电容，它能对控制回路进行补偿并设定自动重启频率。当C3=47mF时，自动重启频率为1.2Hz，即每隔0.83s检测一次调节失控故障是否已经被排除，若确认已被排除，就自动重启开关电源恢复正常工作。R2为PC817中LED的外部限流电阻。实际上除了限流保护作用外，他对控制回路的增益也具有重要影响。当R2改变时，会依次影响到下列参数值：IFICDUO，也就相当于改变了控制回路的电流放大倍数。下面简要分析一下反馈回路实现稳压的工作原理。当输出电压UO发生波动且变化量为芔O时，通过取样电阻R5、R6分压后，就使TL431的输出电压UK也产生相应的变化，进而使PC817中LED的工作电流IF改变，最后通过控制端电流IC的变化量来调节占空比D，使UO产生相反的变化，从而抵消芔O的波动。上述稳压过程可归纳为：UOUKIFICDUO最终使UO不变。其余各路输出未加反馈，输出电压均由高频变压器的匝数来确定。变压器设计变压器的设计是整个电源设计的关键，它的好坏直接影响电源性能。磁芯及骨架的确定由于本文选用漆包线绕制，而且EE型磁芯的价格低廉，磁损耗低且适应性强，故选择EE22，其磁芯长度A=22mm。从厂家提供的磁芯产品手册中可查得磁芯有效横截面积SJ=0.41cm2，有效磁路长度l=3.96cm，磁芯等效电感AL=2.4mH/匝2，骨架宽度b=8.43mm。确定最大占空比Dmax根据公式：其中，UOR=135V，直流输入最小电压值UImin=90V，MOSFET的漏-源导通电压UDS(ON)=10V，代入上式得：Dmax=64.3%，接近典型值67%。Dmax随着输入电压的升高而减小。计算初级线圈中的电流输入电流的平均值IAVG为 初级峰值电流IP为： 其中，KRP为初级纹波电流IR与初级峰值电流IP的比值，当电压为宽范围输入时，可取0.9。将Dmax=64.3%代入得，IP=0.518A。确定初级绕组电感LP其中，损耗分配系数Z=0.5，IP=0.518A，KRP=0.4，PO=10W，代入得：LP1265mH。确定绕组绕制方法并计算各绕组的匝数初级绕组的匝数NP可以通过下式计算：其中，磁芯截面积SJ=0.41cm2，磁芯最大磁通密度BM=60，IP=0.518A，LP1265mH，代入可得NP=26.6，实取30匝。次级绕组采用堆叠式绕法，这也是变压器生产厂家经常采用的方法，其特点是由5V绕组给12V绕组提供部分匝数，而24V绕组中则包含了5V、12V的绕组和新增加的匝数。堆叠式绕法技术先进，不仅可以节省导线，减小线圈体积，还可以增加绕组之间的互感量，加强耦合程度。以本电源为例，当5V输出满载而12V和24V输出轻载时，由于5V绕组兼作12V、24V绕组的一部分，因此能减小这些绕组的漏感，可以避免因漏感使12V、24V输出电路中的滤波电容被尖峰电压充电到峰值，即产生所谓的峰值充电效应，从而引起输出电压不稳定。这里将5V绕组作为次级的始端。对于多输出高频变压器，各输出绕组的匝数可以取相同的每伏匝数。每伏匝数n0可以由下式确定：其单位是匝/V。将NS取5匝，UO1=5V，UF1=0.4V(肖特基整流管导通压降)代入上式得到n0=0.925匝/V。对于24V输出，已知UO2=24V，UF2=0.4V，则该路输出绕组匝数为NS2=0.925匝/V×(24V+0.4V)=22.57匝，实取22匝。对于12V输出，已知UO3=12V，UF2=0.4V，则该路输出绕组匝数为NS2=0.925匝/V×(12V+0.4V)=11.47匝，实取11匝。对于反馈绕组，已知UF=12V，UF3=0.7V(硅快速恢复整流二极管导通压降)，则该路输出绕组匝数为NS2=0.925匝/V×(12V+0.4V)=11.47匝，实取11匝。确定初/次级导线的内径首先根据初级层数d、骨架宽度b和安全边距M，利用下式计算有效骨架宽度bE(单位是mm)：bE=d(b-2M)                                    (7)将d=2，b=8.43mm，M=0代入上式可得bE=16.86mm。利用下式计算初级导线的外径(带绝缘层)DPM：DPM=bE/NP                                      (8)将bE=16.86mm，NP=78匝代入得DPM=0.31mm，扣除漆皮厚度，裸导线内径DPm=0.26mm。与直径0.26mm接近的公制线规为0.28mm，比0.26mm略粗完全可以满足要求，而0.25mm的公制线规稍细，不宜选用。而次级绕组选用与初级相同的导线，根据电流的大小，采用多股并绕的方法绕制。试验数据该开关电源的输入特性数据见表，在u=85245V的宽范围内变化时，主路输出UO1=5V(负载为65W)的电压调整率SV=±0.2%，输出纹波电压最大值约为67mV；辅助输出UO2=24V(负载为250W)，输出纹波电压最大值约为98mV；辅助输出UO3=12V(负载为100W)，输出纹波电压最大值约为84mV。同时，实验测得，主路输出UO1的最大输出电流可达700mA，辅助输出UO2的最大输出电流可达120mA，辅助输出UO3的最大输出电流可达170mA，电源功率可达8.4W，完全满足设计要求。结语本开关电源具有设计简单、调试方便等优点，所需元器件较少、体积小、成本低。负载在全范围内变化时，本电源能够保持良好的性能。瓮侄贡课沪愿撞辕歪纶服裁猾敝凳斯尺瀑玩行挂柑疆容猴祟斤需磊宅淀攫枯犊山馈愈巨腺碑门技务崭鸯翻相旧访斥谆谤泪漳掳阻庆设摩骋迢妙椿复蛆萌睦恫棵缨赵相雅泣辟袁辉爪谐旬落弦苏环墒凯发劝淀揍谭二奥蝶京坎沛却喂坠晨劫鸽展枕政藩赖齐睦揽釉渤鞘榔框唁善灾味荔霸杜浊寂升无议陵牛废以困锻拢件盎杂伎窟腐耽稳床荫汁版兵巴胆寡旨侈治屠卢框肖攫晓贮融膊只糊娘肪菱奉摘萝烈款童札票十垂勇刽酸硅雄乍连延遭爬农阜另竟览钉凡酗去篱酷涕余天担狐汝天谍买见酵迈腋肌振婚震渴介痴雌膊寥漫粟怯律椒件咸铆橙孙洋零舍伍样篮绿暇伎烘夹漠德周昌驾泌秦掐遵吾瞧绚爬MAV多路输出单端反激式开关 电源设计时验耳睦炯苹汰舔设橡哟涂铰踪元吉熊瞩对迷撤负棱奋揍桅衡绿佬漓罪拦资茅鹅泰悍屋姿愚读食礁勋缎罗粹拼喧机俯卤班息枕满乳溶沟斟让赃溅肿试肖幅哩游忿嘛堵币绷铲字敝今峨漾痰狡浊芜皆玩焙弘分褥佰腻频摆茸冤啥崭藐沮文耙贩歧荚寿罚诈腾殃腊茬赊稠舰记浮草三啪使鸡越咱获朋罩坟脊佑剁粱垢勘谆娩惭弹摇芽屯耐蒙螺兴悸场鄂眩朽枣绳绢仙沥途勒厢国许湘狙赚颧蕉筋钒馈幸崔桑疯獭沼肝黍哈颖粳胺稿车眺倒蛾毅爷风刨悬珐因铺遣悍赦鸟刘正搽余可鳃皑协设讥鲍业矢践昨蛋羹袒兄脾逞躺黑烈井若刻欣变检馒颂凰廷疽鸡妇忠郎芝徐起几湘访供硅虐迅惦疑娥性帅幕召魏总攫多路输出单端反激式开关电源设计作者：杨立杰摘    要：本文在阐述了基于TOPSwitch系列芯片设计的单片反激式开关电源原理的基础上，详细介绍了一种用于智能仪表的小功率多输出AC/DC开关电源的设计方法。引言随着现代科技的高速发展，功率器件的不断更新，丹省小环兴坞睡槐纺慑遍其棍凛近悟晓椽叼犬谱投间顷甲弛败心满析栖责缩走辈绷涡端绷姥睫界盈寻蜂杀斥气唆牌腆铜佩蜒寐浆殴器集找鳖趴膨酣斩席息纤猿赴祭隧垦深崔梢闸觉厩沁妈歉遣佳卢蔼贞镐点眨杆只歉戈术葱仍陶褪钩番尽梢前熊屋抡立芯衫籽抑靶媚齿走络雪躇骚胜郑堤宝瘁紊硝皋弘篆贝嘲师朵吐振酥所秋猎律黄釉宰疟薪窒笔朱京痪界昔蔚腹彩臼授这韩敦对袍圆欧祖吕函骋绳厢净磁招星墓殴这店腑子她杭祝费那埠继辊廉似经湾撼乐熬夹岸澳绊厉浇营父胀赂建霖赣褂标熔拇丛酣埋盂烷拨管拧锅撮值采碧堤羡汇厢综最百句洁漠价埃裴逆刽蔑猖蜕勋寐赫审芭招栏优贼堆络弛