基于TOP243Y的單片反激開關(guān)電源設(shè)計(jì)

張維

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 咸陽 712000）

基于某課題項(xiàng)目中的嵌入式設(shè)備的電源需求，根據(jù)實(shí)際需要收集設(shè)計(jì)電源的參數(shù)指標(biāo)，分析并設(shè)計(jì)一款基于TOP243Y的單片反激開關(guān)電源設(shè)計(jì)，最終通過樣機(jī)的組裝和調(diào)試對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 電源技術(shù)指標(biāo)的收集

本設(shè)計(jì)是基于一款嵌入式ARM開發(fā)板而設(shè)計(jì)的電源，根據(jù)具體設(shè)備電源的需求，收集以下指標(biāo)：輸入電壓范圍：220±20%； 輸出電壓和對應(yīng)的電流值：5 V/1 A，12 V/1 A，－12 V/1 A，輸出紋波：＜1%，工作溫度：－40～85 ℃，電壓調(diào)整率：±0.1%，負(fù)載調(diào)整率：≤±5%，損耗因數(shù):0.5。

2 EMI濾波器及輸入整流電路設(shè)計(jì)

在大多數(shù)場合EMI電源濾波器主要抑制共模干擾信號(hào)。本設(shè)計(jì)EMI濾波器中的CX、CIN1和LCM就是用來濾除共模干擾的。共模電感通常取5～33 mH，本設(shè)計(jì)取為6 mH。整流橋選用1N4001（1 A/1 000 V），此管可對電流電壓留有一定的余量。

CIN1的值可通過式（1）進(jìn)行計(jì)算：

3 高頻變壓器的設(shè)計(jì)

3.1 變壓器磁芯的選擇

在單片開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，通常選擇錳鋅鐵氧體材料的磁芯，磁芯截有效面積可用下面經(jīng)驗(yàn)公式（2）計(jì)算[2]：

其中Ae是磁芯有效面積，ηT是變壓器的轉(zhuǎn)換效率，通常取0.75～0.95之間數(shù)，本設(shè)計(jì)取0.9。經(jīng)計(jì)算得到Ae≈0.85 cm2，然后查變壓器的磁芯對照表，最后選擇EE28磁芯。

3.2 計(jì)算脈沖信號(hào)最大占空比OMAX

當(dāng)電網(wǎng)電壓在220±20%范圍內(nèi)變化時(shí)，經(jīng)全波整流后的直流輸入電壓最小為 Vin（min）為 208.86 V。根據(jù)公式（3）可得最大占空比為：

其中VOR為反射電壓，是指當(dāng)功率開關(guān)管關(guān)斷且次級(jí)電路處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，次級(jí)電壓感應(yīng)到初級(jí)端的電壓值。根據(jù)本設(shè)計(jì)要求計(jì)算時(shí)取VOR=110 V，VDS為主開關(guān)導(dǎo)通時(shí)D、S間壓降，典型值為10 V。經(jīng)計(jì)算得到：DMAX≈0.36。

3.3 計(jì)算初級(jí)峰值電流

平均值電流如式（4）所示：

則峰值電流可通過式（5）計(jì)算得：

3.4 計(jì)算變壓器原邊的電感量

其中Z是損耗分配因子。一般取作0.5。經(jīng)計(jì)算可得：LP≈1 860.29 μH

(4)彰顯原子結(jié)構(gòu)和元素周期律(表)對無機(jī)物的性質(zhì)和用途的理論支撐。原子的結(jié)構(gòu)決定了元素在周期表中的位置,也決定了元素的性質(zhì),借助“結(jié)構(gòu)—位置—性質(zhì)”三者的神秘關(guān)系,可比較順利地進(jìn)行元素的推斷。同理,常見元素的單質(zhì)及其重要化合物的結(jié)構(gòu),也決定了相應(yīng)物質(zhì)的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì),進(jìn)而決定了相應(yīng)物質(zhì)的用途等。利用這層關(guān)系推斷(或判斷)物質(zhì)的性質(zhì)和用途的高考試題早已層出不窮。

3.5 次級(jí)繞組匝數(shù)NS的計(jì)算

本文選用TOP243YN作為開關(guān)電源的主芯片，對TOPSwitch器件來說：

式（7）中V0為輸出電壓，VD為輸出二極管正向壓降。本設(shè)計(jì)5 V輸出二極管采用超快恢復(fù)肖特基二極管，因此：NS≈3.4取整數(shù)，次級(jí)繞組NS為4匝。

3.6 初級(jí)繞組匝數(shù)NP的計(jì)算

取整數(shù)，初級(jí)繞組NP為78匝。

3.7 偏置繞組匝數(shù)的計(jì)算

其中VB是偏置電壓，這里取為12 V，VDB是偏置二極管正向電壓降，這里取為0.95 V。偏置繞組取整數(shù)則大約需要9匝。

3.8 其他2個(gè)次級(jí)繞組的匝數(shù)的計(jì)算

±12 V次級(jí)繞組的電壓：VS1=VO+VD+VL=12.9 V。故可得：n≈0.117 2，則兩個(gè)次級(jí)匝數(shù)計(jì)算為：NS1（2）≈9.05，取整數(shù)后，±12 V次級(jí)繞組均取為9匝。

3.9 確定初級(jí)導(dǎo)線的內(nèi)徑

根據(jù)初級(jí)層數(shù)d、骨架寬度b和安全邊距M，利用式（11）計(jì)算有效骨架寬度bE：

本設(shè)計(jì)中取 d=3，b=9.6 mm，M=0 代入式（11）：bE=28.8 mm。

利用式（12）計(jì)算導(dǎo)線的外徑：得到：DPM≈0.36 mm，由AWG的導(dǎo)線規(guī)格表查得，與直徑0.36 mm最接近線號(hào)是28AWG。

3.10 確定次級(jí)導(dǎo)線的內(nèi)徑

次級(jí)裸導(dǎo)線直徑可用式（13）表示：

其中，根據(jù)文獻(xiàn)可得電流密度為式（14）：

次級(jí)峰值電流為式（15）：

次級(jí)有效電流為式（16）：

代入電流密度和次級(jí)有效值電流的值，可得到次級(jí)導(dǎo)線線徑為：DSM≈0.98 mm。

當(dāng)DSM＞0.4 mm時(shí)，建議應(yīng)采用多股導(dǎo)線并繞NS匝，由AWG的導(dǎo)線規(guī)格表可得選用25AWG。與單股粗導(dǎo)線繞制方法相比，多股并繞能增大次級(jí)繞組的等效截面積，改善磁場耦合程度，減小漏感。

3.11 變壓器氣隙的計(jì)算

對于單端反激式變壓器的磁芯，為了避免磁芯飽和，減小變壓器的高頻磁芯損耗及發(fā)熱問題，應(yīng)該在磁回路中加入一個(gè)適當(dāng)?shù)臍庀鼎摇?/p>

4 無源RCD鉗位電路的參數(shù)設(shè)計(jì)

在MOSFET管漏極增加鉗位保護(hù)電路，對尖峰電壓進(jìn)行鉗位或者吸收，防止開關(guān)管損壞，如圖1所示。

4.1 確定鉗位電阻

漏源間電壓的經(jīng)驗(yàn)公式為：

鉗位電容的峰值最大電壓為:

鉗位電阻的計(jì)算公式為:

其中漏感取為 62.4 μH，取為27 kΩ。

4.2 確定鉗位電容CC

鉗位電容CC，的值應(yīng)取得足夠大以保證其在吸收漏感能量時(shí)自身的脈動(dòng)電壓足夠小，可通過下式來確定最小值為:

4.3 確定鉗位二極管

鉗位電路中的二極管一般選擇快速恢復(fù)二極管，它的耐壓值應(yīng)大于最大直流輸入電壓。本設(shè)計(jì)選取快速恢復(fù)二極管FR106。

5 輸出整流濾波電路及后級(jí)濾波電路的設(shè)計(jì)

輸出整流濾波電路由整流二極管和濾波電容構(gòu)成[4]。根據(jù)計(jì)算分析整流二極管可以選用的型號(hào)為SB150。另外兩路輸出及偏執(zhí)繞組的二極管分別為：12 V均選用肖特基整流SB180，偏置繞組選用超快恢復(fù)二極管MUR110。

對輸出濾波電容的選擇來說，紋波電流和ESR（等效串聯(lián)阻抗）是它的2個(gè)重要參數(shù)。在保證控制環(huán)路的帶寬足夠的前提下，應(yīng)選擇耐壓值高和容值低的濾波電容。本電源的輸出濾波電容選擇為：5 V輸出選擇為680 uF／35 V低ESR電容，12 V選擇為330 uF／35 V低ESR電容。若濾波效果不理想，可以在下級(jí)再串聯(lián)一個(gè)L、C濾波環(huán)節(jié)，這里叫做后級(jí)濾波環(huán)節(jié)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，L取2.2～10 uH，電容推薦選擇120 uF／35 V低ESR電容。

圖1 本設(shè)計(jì)總電氣原理圖Fig.1 This total electrical design diagram

6 反饋環(huán)路的設(shè)計(jì)

開關(guān)電源依靠反饋控制環(huán)路來保證在不同的負(fù)載情況下得到所需的電流電壓。本設(shè)計(jì)采用穩(wěn)壓器TL431與光耦PC817A組合的環(huán)路動(dòng)態(tài)電流控制補(bǔ)償電路[5]。

7 樣機(jī)組裝與調(diào)試

本設(shè)計(jì)最終電氣原理圖如圖1所示。根據(jù)電氣原理圖進(jìn)行前期的軟件仿真分析驗(yàn)證，之后就要進(jìn)行設(shè)計(jì)樣機(jī)的組裝和調(diào)試[6]。組裝電路時(shí)注意電路板的規(guī)劃和元器件的選取，安裝設(shè)計(jì)要求來布局布線，并盡量選取和計(jì)算結(jié)果貼近的元器件。最終對完成組裝的樣機(jī)進(jìn)行先期的調(diào)試驗(yàn)證及各個(gè)元器件的失效性分析，最終方可用于實(shí)際的使用。本開關(guān)電源裝置是為課題組某嵌入式系統(tǒng)提供的穩(wěn)定的三路直輸出流電源。最終通過示波器驗(yàn)證輸出穩(wěn)定，可用于實(shí)際課題實(shí)驗(yàn)中。示波器驗(yàn)證輸出波形如圖2所示：其中波形圖上下分別代表5 V和12 V輸出，經(jīng)分析基本符合設(shè)計(jì)輸出和紋波等要求。

圖2 樣機(jī)輸出測試波形圖Fig.2 Waveforms figure of prototype output test

8 結(jié)束語

文中主要分析與設(shè)計(jì)了一款單端反激式開關(guān)電源，重點(diǎn)其前級(jí)整流濾波、鉗位電路及高頻變壓器的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)理論分析，最后對樣機(jī)進(jìn)行組裝和調(diào)試，希望通過本文對設(shè)計(jì)者有一定啟發(fā)和示范作用。

[1]Power Integration.INC Flyback Design Methodology Appli-cation Note AN-16[S].16-22.

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MA Rui-qing，REN Xian-jin.Design of single chip switching power supply based on TOP224Y[J].Computer Measurement and Technology，2007（15）：236-237.

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[5]續(xù)明進(jìn).一種多輸出開關(guān)電源的設(shè)計(jì)[J].北京印刷學(xué)院學(xué)報(bào)，2009（8）：49-50.

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