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    基于TOP224YN的380V交流輸入反激式輔助電源的研制

    作者:黃魯晨 黃輝 董雅茹 王鑫時間:2018-09-27來源:電子產品世界收藏
    編者按: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電源。考慮到芯片本身的耐壓能力與較大輸入電壓的矛盾,本設計采取了以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電源的局限。在簡要介紹控制芯片的工作原理的基礎上,本文詳細闡述了電源的關鍵電路,如EMI濾波電路、高頻變壓器和反饋控制回路的設計流程。經過實驗測試,驗證了電源設計的正確性和可行性。該電源具有輸入電壓大、穩壓性能優良、紋波小、效率高和電磁兼容性好等優點。

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

    本文引用地址:http://www.09140960.com/article/201809/392394.htm

    摘要:基于PWM控制芯片,研制了一款380 V交流輸入、三路輸出的開關電源。考慮到芯片本身的耐壓能力與較大輸入電壓的矛盾,本設計采取了以外接MOSFET的方式,成功地解決了不足的問題,突破了將該芯片用于大電壓輸入的開關電源的局限。在簡要介紹控制芯片的工作原理的基礎上,本文詳細闡述了電源的關鍵電路,如EMI濾波電路、高頻變壓器和反饋控制回路的設計流程。經過實驗測試,驗證了電源設計的正確性和可行性。該電源具有輸入電壓大、穩壓性能優良、紋波小、效率高和電磁兼容性好等優點。

    1 概述

      開關電源和線性電源相比,具有效率高、體積小和穩定性高等顯著優勢,其應用越來越廣泛。目前,市面上使用最多的AC-DC開關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]。而大多數開關電源采用220 V交流電壓供電。

      本文為電火花機床電源供給系統研制了一款,根據系統要求,該電源交流輸入為380V,集多路和穩壓輸出為一體。考慮到美國PI公司生產的TOPSwitchⅡ芯片系列具有集成度高、外圍電路簡單的優點,因此將其作為本設計的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,本設計通過將芯片外接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點。

    2 主電路設計

      2.1 電源設計指標

      根據電火花機床電源供給系統中的供電需求,設計的開關電源應滿足以下指標:設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,其地均與輸入側地隔離,其中±15 V輸出共地,與+24 V輸出隔離;開關頻率為100 kHz;總輸出功率為65 W,損耗分配系數為0.5;電源效率為80%。

      2.2 系統設計方案

      本次設計的拓撲結構框圖如圖1所示,主要包括外圍控制回路設計,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穩壓電路、反饋控制回路等。

      2.3 TOP224YN芯片簡介及外圍電路設計

      TOP Switch系列芯片是美國PI公司生產的三端離線式PWM/MOSFET復合開關,因其外圍電路簡單,可實現電氣隔離,保護功能齊全,適用于反激、正激、升降壓等各種拓撲的優點而得到廣泛應用[2]

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

      TOP224YN外接MOSFET的具體電路如圖2(TOP224YN與外部MOSFET串聯電路模塊)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芯片內部MOSFET的漏極和源極,從原理圖上分析可知,當d2和s2之間導通時, s1被下拉到低電平,此時g1和d1均處于高電平,則外部MOSFET也處于導通狀態;反之,當d2和s2之間關斷時,電路斷開,d1和s1也無法導通,輸入電壓被分配到兩個MOSFET上,緩解了耐壓壓力。

      此外,其他關鍵電路還有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 其它關鍵電路設計

      3.1 EMI濾波電路設計

      考慮到電源的電磁兼容性,設計時在輸入輸出端均加入EMI濾波電路,一方面去除電網輸入的諧波,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,根據文獻[3]中濾波器參數的設置方法,本設計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,本設計取10 mH。

      3.2 高頻變壓器設計

      3.2.1 計算最大占空比

      在輸入電壓最小值時取到最大占空比Dmax,公式為

    (1)

      其中,Vor為反射電壓,取135 V;Vimin為最小輸入直流電壓,因為電源交流輸入范圍為198 V~418 V,則根據文獻[4]中對應關系可得,直流電壓輸入范圍為213V~591 V,則Vimin=213 V;Vdson是主開關導通時的漏源間壓降,典型值為10 V。

      3.2.2 選擇磁芯規格

      根據AP法[5]

    (2)

      其中,kf為波形因數,方波時為4;k0為窗口使用系數,一般取0.3;fs為開關頻率;Bw為工作磁感應強度,大多數鐵氧體的飽和磁通密度Bs在0.3 T(300 mT)左右,一般取Bw=(1/3~2/3)Bs,本設計取Bw=(2/3)Bs;J為電流密度,取J=4×106 A/m;Pt為視在功率,值為146.25 W。查磁芯規格表,可選取EC35型磁芯。

      3.2.3 計算初、次級匝數

      應該按照最大輸入直流電壓來計算初級繞組匝數Np[7],根據電磁感應定律

    (3)

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

      次級匝數NS=[(Vout+Vd)(1-Dmax)Np]/(ViminDmax),其中Vout為各路輸出電壓值,Vd為輸出整流二極管正向壓降,典型值0.8 V。計算得次級匝數分別為:

      26 匝(+24 V輸出),17 匝(±15 V輸出)。

      3.2.4 計算初級電感量

      初級繞組流過的峰值電流

      3.3 反饋控制回路設計

      本設計的反饋控制回路主要包括光耦PC817、穩壓管TL431和TOP224YN,工作方式是通過采樣電壓與TL431的基準電壓進行對比,改變TL431陰極電位的大小,使得流經PC817的電流值發生變化,進而導致TOP224YN上的控制電流Ic的值發生相應改變,調節占空比,控制開關管的導通時間,實現穩壓。

      確定完控制策略以后,主要是計算回路中各電阻的阻值。根據公式Vref=[R22/(R20+R22)]/Vout,其中Vref為穩壓源TL431提供的參考端電壓,為2.5 V;Vout=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Ic為4 mA,根據對應關系得到流過光耦的正向電流If=3 mA,又依據R19=(Vr18+Vf)/(Ika-If),其中Vr18為電阻R18上的壓降,由于R18=1 kΩ,則Vr18= If×R18=3 V;Vf為PC817中二極管的正向壓降,典型值為1.2 V;Ika為采樣支路電流,取7.2 mA;R18=1 kΩ,可得R19=1 kΩ。根據功耗方面考慮,R19應小于1.2 kΩ,故滿足設計條件。

    4 樣機測試結果及分析

      對設計的開關電源樣機性能進行測試,分別測試在輕載、半載、重載和滿載情況下的開關管工作波形、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給出了實測波形。由圖可見當外部MOSFET柵源極電壓為正時,控制芯片內部MOSFET漏源極導通;反之,內部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,工作穩定。滿載情況下紋波電壓為294 mV,小于1.23%,滿足設計要求。

      通過調試分析,該電源工作穩定,性能優良,可為電源供給系統提供穩定電壓。

    5 結論

      本文設計了一款基于TOP224YN的380V交流輸入,+24 V,±15 V三路輸出的反激式。通過詳細的分析推導,選取合適的元器件,通過Saber仿真驗證了參數選取的正確性。樣機實測結果表明,電源各項指標均符合要求,輸出穩定,性能良好,此電源已被運用在電火花機床電源供給系統中,作為系統的輔助電源使用。本設計中采用的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計具有一定的指導意義。

      參考文獻:

      [1]Sanjaya Maniktala著,王建強等譯.精通開關電源設計[M].北京:人民郵電出版社.2015:81-235.

      [2]徐艷霞.基于TOP Switch反激式高精度開關電源的設計[J].通信電源技術,2012,29(06):33-35+38.

      [3]張維.單端反激式開關電源研究與設計[D].西安電子科技大學,2011:14-25.

      [4]胡志強,王改云,王遠.多路單端反激式開關電源設計[J].現代電子技術,2013,36(14):162-165+170.

      [5]閆福軍,梁永春.一種光伏發電系統中輔助電源設計[J].電力電子技術,2010,44(08):14-16.

      [6]張宇翔,王暉輝,盧景霄,郭敏.寬工作電壓反激式變換器的設計[J].電力電子技術,2004(04):59-61.

      [7]陳永真,陳之勃,等.反激式開關電源設計、制作、調試[M]. 北京:機械工業出版社,2014.4:149-158.

      [8]徐紀太,黃傳東,夏東偉,高斌.寬輸入范圍大功率雙管反激輔助電源設計[J].通信電源技術,2015,32(06):117-119.

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



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