基于TOP227Y的多路輸出反激式開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)

王銀杰，張立生，王 林

（1．鹽城工學(xué)院電氣工程學(xué)院，江蘇 鹽城224000；2．黃山市供電公司，安徽 黃山245000）

0 引 言

隨著科技不斷進(jìn)步，開(kāi)關(guān)電源在儀器儀表、工業(yè)設(shè)備、家用電器等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。反激式開(kāi)關(guān)電源因其設(shè)計(jì)靈活、所需元器件少等特點(diǎn)，在小功率電源領(lǐng)域中得到了應(yīng)用。它可以實(shí)現(xiàn)多路輸出；輸入輸出的電壓極性能夠相反；通過(guò)改變壓器的匝數(shù)比，可構(gòu)成升壓或降壓式開(kāi)關(guān)電源。TOPswitch系列芯片的問(wèn)世使得反激式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)變得更加方便簡(jiǎn)單［1］。

1 開(kāi)關(guān)電源原理及電路設(shè)計(jì)

本文以TOP227Y為核心控制部件，通過(guò)PWM控制實(shí)現(xiàn)DC／DC變換，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比來(lái)保證輸出電壓的穩(wěn)定。開(kāi)關(guān)電源的基本技術(shù)指標(biāo)如下［2］：

交流輸入電壓范圍：85～265 V，50 Hz。

輸出：4路15 V／1 A。

輸出功率：P0＝60 W。

電源的效率η：80%左右。

損耗分配因數(shù)Z：0．5。

偏置電壓：UB＝12 V。

基于TOP227Y的多路反激式開(kāi)關(guān)電源基本設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示。

1．1 前級(jí)濾波電路設(shè)計(jì)

前級(jí)濾波電路包括交流濾波、整流、直流濾波電路三部分構(gòu)成［3］。

交流濾波主要是濾除從電網(wǎng)引入的外部干擾，同時(shí)也抑制自身設(shè)備向外部發(fā)出的干擾。由C18、C7、C6、C8、L構(gòu)成典型的π型濾波器。其中L為共模電感，其電感量通常取值范圍為8～23 mH，本設(shè)計(jì)取22 mH。C18、C7的作用是濾除差模干擾，容量取值范圍 為0．01～0．47μF，在 這 個(gè) 電 路 中 取0．47μF／630 V；C6、C8跨接在輸出端，可以很好地抑制共模干擾，容量范圍為：2 200～4 700 pF，在這取2 200 pF／630 V［4］。

整流電路選擇滿足電壓與電流閥值且導(dǎo)通時(shí)間盡可能短的整流橋。直流濾波電路的電容值可根據(jù)電源輸出功率，每瓦特對(duì)應(yīng)2～3μF考慮余量來(lái)取值。假定整流二極管的導(dǎo)通時(shí)間為tc＝3 ms，則根據(jù)公式（1）得到電容的耐壓值，從而選220μF／400 V的電解電容。

式中，η為系統(tǒng)效率；fL為交流電網(wǎng)頻率；P0為電源輸出功率。

1．2 變壓器的設(shè)計(jì)［5］

（1）磁心尺寸的選擇

本設(shè)計(jì)選擇EI型鐵氧體磁芯，具有漏感小、磁耦合性能好、繞制方便等優(yōu)點(diǎn)。高頻變壓器輸入功率P＝60 W／80%＝75 W，取最大承受功率90 W，根據(jù)高頻變壓器的最大承受功率與磁芯截面積關(guān)系式：

圖1 反激式開(kāi)關(guān)電源原理圖

由公式（2）估算，磁芯有效面積為1．42 cm2，查閱磁芯手冊(cè)，考慮閥值，選擇EI40，它的磁芯有效面積Ae為1．48 cm2，有效磁路長(zhǎng)度Le為7．7 cm，磁芯的等效電感AL為5 000 nH／N2，骨架寬度BW為40 mm。

（2）最大占空比

最大占空比計(jì)算如下：

其中二次反射電壓UOR取135 V；查閱TOP227Y的資料，UDS取10 V。

（3）計(jì)算初級(jí)線圈的電流

式中，KRP是脈動(dòng)系數(shù)；KRP＜1，反激變換器工作在連續(xù)模式；KRP＝1，反激變換器工作在斷續(xù)模式。本設(shè)計(jì)反激變換器工作在連續(xù)模式，取KRP＝0．4。

由：IDS＝0．9ILIMIT≥IP，查 TOP227Y 的數(shù)據(jù)參數(shù)，ILIMIT在2．7～3．3A之間。即IDS＝0．9ILIMIT＝0．9×2．7 A＝2．43 A＞IP，也就是說(shuō)KRP選取合適［6］。

（4）計(jì)算變壓器初級(jí)電感（連續(xù)模式）

（5）計(jì)算繞組匝數(shù)與導(dǎo)線直徑［7］

當(dāng)電網(wǎng)電壓為通用輸入220 V時(shí)，KNS＝0．6匝／V。輸出整流二極管是超快速二極管，即UD取0．7 V，磁芯的最大工作磁通密度Bm在2 000～3 000 GS范圍內(nèi)。偏置繞組上的電壓取12 V，它的整流二極管的正向?qū)▔航礥DB取0．7 V。

a．繞組匝數(shù)計(jì)算

取J＝8 A／mm2，直徑取0．41 mm。

（6）計(jì)算氣隙長(zhǎng)度

式中，Bm的單位為T；IP的單位為A；LP的單位為μH；Ae的單位為cm2。

根據(jù)上面的計(jì)算可以看出Bm在0．2～0．3 T的范圍內(nèi)，即Bm滿足工作要求。

1．3 反饋電路的設(shè)計(jì)［8］

反饋電路采用穩(wěn)壓器TL431與線性光耦PC817組成的光耦反饋回路，TL431的電壓準(zhǔn)確度精確到1%，而且可以在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過(guò)R8、RW1產(chǎn)生取樣電壓然后和TL431的基準(zhǔn)電壓2．5 V進(jìn)行比較，所得到的誤差電壓，經(jīng)過(guò)PC817產(chǎn)生光電流變化輸出到TOP227Y控制端C，使控制端的電流變化進(jìn)而調(diào)節(jié)占空比，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。

在本設(shè)計(jì)中取電阻R8、RW1的阻值分別為25 kΩ，5 kΩ。整流管VD7和濾波電容C13為光耦合器提供偏壓，VD7在輸出整流濾波電路中已經(jīng)計(jì)算得出，取IN4148，C13取0．1μF。R7為 LED 的限流電阻，取300Ω。C23為相位補(bǔ)償電容取0．1μF。C19是芯片控制端C的旁路電容，并與R5串聯(lián)一起對(duì)控制環(huán)路進(jìn)行補(bǔ)償，C19取47μF／25 V的電解電容，R5取6．8Ω。

1．4 偏置與鉗位保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

電容C19與電阻R5串聯(lián)組成控制端的補(bǔ)償電路，電容C19能濾除控制端C上的尖峰電壓。由數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，C19取47μF／25 V的電解電容［11］，R5取6．8Ω。即檢測(cè)一次故障所需的時(shí)間是0．83 s，如果檢測(cè)到故障已被排除，就恢復(fù)正常工作。當(dāng)功率管MOSFET從導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂箷r(shí)，在開(kāi)關(guān)電源的一次繞組上就會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓和感應(yīng)電壓。當(dāng)其與直流高壓疊加在MOSFET的漏極D時(shí)，很容易造成MOSFET的損壞。為此，在TOP227Y的漏極上必須增加鉗位保護(hù)電路，對(duì)尖峰電壓進(jìn)行鉗位或吸收［9］。本設(shè)計(jì)采用基本的TVS－VD型漏極鉗位保護(hù)電路。VD2、VD5構(gòu)成了漏極鉗位保護(hù)電路，它們可以并聯(lián)到高頻變壓器一次繞組上也可以連接在功率MOSFET的漏極與地線之間，VD2、VD5的選型取決于反射電壓UOR。通常反射電壓UOR取135 V，UD2鉗位電壓UCLO可由公式（18）得出：

VD2的耐壓值應(yīng)大于最大直流輸入電壓UMAX，本設(shè)計(jì)中VD2采用P6KE200鉗位二極管，其鉗位電壓為200 V。VD5采用超快恢復(fù)二極管 UF4006（800 V／1 A），其反向耐壓800 V［10］。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)以上的設(shè)計(jì)原則，采用TOP227Y芯片制作了15 V／1 A的四路輸出開(kāi)關(guān)電源，樣機(jī)如圖2所示，并對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試。圖3與圖4為空載時(shí)輸出電壓波形及TOP227Y控制端波形，通過(guò)對(duì)波形的分析可得，其輸出波形基本穩(wěn)定，具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

圖2 反激式開(kāi)關(guān)電源實(shí)物圖

圖3 輸出電壓波形

圖4 TOP227Y控制端波形

3 結(jié) 論

本文以輸入整流濾波、變壓器設(shè)計(jì)、反饋電路設(shè)計(jì)和偏置與鉗位保護(hù)電路的設(shè)計(jì)等四個(gè)方面為基礎(chǔ)對(duì)開(kāi)關(guān)電壓外圍電路各部分基本功能進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)，并以TOP227Y芯片為核心研制了一款多路輸出反激式開(kāi)關(guān)電源，給出了基本的設(shè)計(jì)方法與參數(shù)。通過(guò)實(shí)物制作與波形分析驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性，其工作穩(wěn)定可靠。

［1］ 喬恩明，張雙云．開(kāi)關(guān)電源工程設(shè)計(jì)快速入門［M］．北京：中國(guó)電力出版社，2010．

［2］ 曲學(xué)基，王增福，曲敬鎧．新編高頻開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2005．

［3］ 周志敏，紀(jì)愛(ài)華．經(jīng)典開(kāi)關(guān)電源實(shí)用電路139例［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2011．

［4］ 張占松，蔡宣三．開(kāi)關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2004．

［5］ 沙占友，王彥朋，馬洪濤，李 瑋．開(kāi)關(guān)電源優(yōu)化設(shè)計(jì)［M］．北京：中國(guó)電力出版社，2009．

［6］ 沙占友，王彥朋，安國(guó)臣，孟志永．開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)入門與實(shí)例解析［M］．北京：中國(guó)電力出版社，2009．

［7］ 李定宣．開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］．北京：中國(guó)電力出版社，2006．

［8］ 倪東海，蔣玉萍．高頻開(kāi)關(guān)電源集成控制器［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005．

［9］ 沙占友．單片開(kāi)關(guān)電源最新應(yīng)用技術(shù)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002．

［10］胡志強(qiáng)，王改云，王 遠(yuǎn)．多路單端反激式開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（14）：162－170．