付曉翠
安徽糧食工程職業(yè)學(xué)院機電工程系,安徽合肥,230011
開關(guān)電源被譽為高效、節(jié)能型電源,它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向。單片開關(guān)電源集成電路具有高集成度、高性價比、外圍電路簡單、高性能指標(biāo)等特點,且能構(gòu)成高效率無工頻變壓器的隔離式開關(guān)電源,現(xiàn)已成為開發(fā)中、小功率開關(guān)電源及開關(guān)電源模塊的優(yōu)選集成電路[1]。
本文利用TOP258YN芯片,采用反激方式設(shè)計了一種直流開關(guān)穩(wěn)壓穩(wěn)流電源。所設(shè)計的電源具有高效節(jié)能、體積小且能夠輸出穩(wěn)定的電壓和電流等優(yōu)點。
反激式開關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。工作原理:當(dāng)晶閘管VT導(dǎo)通時,初級線圈產(chǎn)生電流Ip,將電能儲存在初級線圈中。此時,次級線圈感應(yīng)的電壓極性是上端為負(fù),下端為正,VD截止,沒有輸出電流。
圖1 反激式變換器
當(dāng)VT截止時,初級線圈電流中斷,產(chǎn)生感應(yīng)電壓Us,同時次級繞組產(chǎn)生感應(yīng)電壓(上端為正,下端為負(fù)),VD導(dǎo)通,產(chǎn)生二次繞組電流Ir;二極管VD整流,電容進(jìn)行C濾波之后獲得輸出電壓Uo。
TOP258YN是美國PI公司生產(chǎn)的用于開關(guān)電源集成芯片。利用該芯片設(shè)計的開關(guān)電源,具有高效節(jié)能、低功耗、工作穩(wěn)定、便于控制等特點。此外,使用TOP258YN設(shè)計的電源,還具有系統(tǒng)的可靠性和自我保護(hù)的功能[3]。
本文所設(shè)計的開關(guān)穩(wěn)壓穩(wěn)流電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)由輸入整流濾波模塊、變壓器變換模塊、濾波輸出模塊、控制單元和顯示模塊等組成。
圖2 系統(tǒng)硬件框圖
(1)輸入整流模塊的主要功能:輸入220V市電,經(jīng)整流橋整流后,輸出310V直流電。
(2)變壓器變換電壓的主要功能是:把310V直流電輸送到高頻變壓器,由高頻變壓器變換電壓,此變壓器能把310V直流電降為19~20V的直流電,再經(jīng)濾波后輸出穩(wěn)定的電壓[4]。
(3)控制單元的主要功能:當(dāng)輸出電壓變化時,由控制單元進(jìn)行調(diào)節(jié),穩(wěn)定輸出電壓。
(4)電壓電流顯示模塊的功能:顯示系統(tǒng)的輸出電壓與輸出電流。
系統(tǒng)的整流濾波電路如圖3所示。
圖3 整流濾波電路
2.2.1 保護(hù)電路
保護(hù)電路是由負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器RT1和熔絲管F1構(gòu)成。RT1在電源通電時,起瞬間限流保護(hù)作用,主要用來保護(hù)高壓電解電容C9,防止其損壞。當(dāng)輸入電流過大時,流過熔絲管F1的大電流使其溫度過高而熔斷,電源因斷電而停止工作,從而保護(hù)電源不被燒壞[5]。
2.2.2 控制單元
控制部分電路如圖4所示。此模塊是開關(guān)電源的核心,主要作用是控制和調(diào)整電源的輸出,使輸出電流與電壓穩(wěn)定在設(shè)定值[6]。
(1)二極管P6KE200、電容C、電阻R1、電阻R2和快恢復(fù)二極管FR106構(gòu)成鉗位保護(hù)電路。具體保護(hù)過程如下:對于反激式開關(guān)電源而言,每當(dāng)開關(guān)芯片TOP258YN由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷時,變壓器的一次繞組會產(chǎn)生尖峰電壓脈沖,很容易破壞開關(guān)芯片。鉗位保護(hù)電路的設(shè)計,能夠很好地嵌位或吸收尖峰電壓,從而保護(hù)開關(guān)芯片。
(2)當(dāng)電壓波動時,PCA817把電壓變化轉(zhuǎn)化為電流的變化,然后傳送給TOP258YN的C引腳,進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制輸出電壓,使電壓達(dá)到動態(tài)平衡。
圖4 控制單元
輸出反饋的功能是檢測輸出電壓的誤差,通過放大誤差,并把誤差電壓的變化轉(zhuǎn)化為電流的變化,然后送給開關(guān)芯片進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制,具體過程如下:電阻器Ra2和R19檢測輸出電壓,TL431提供基準(zhǔn)電壓,構(gòu)成外部誤差放大器。電壓波動的檢測則是通過PCA817實現(xiàn),當(dāng)輸出端電壓增大時,流過PCA817的電流減小,使得流入TOP的C引腳電流減小,從而TOP258YN占空比變大。反之,當(dāng)輸出的電壓增大時,變化過程則與上述過程相反。輸出反饋部分的電路如圖5所示。
圖5 輸出反饋
開關(guān)電源處于正常工作狀態(tài)時,測試其性能,調(diào)節(jié)輸入電壓,電壓范圍86~240V,如表1所示。在滿負(fù)載的情況下,將輸入電壓從最小值86V到240 V,記錄下輸出電壓變化的情況,如表2所示。
表1 輸入電壓與輸出電壓關(guān)系
表2 較大負(fù)載時輸出電壓負(fù)載關(guān)系
通過分析測試數(shù)據(jù),可以得到非常精確的輸出電壓,其電壓值范圍為19.00±0.1V。本文所設(shè)計的電源工作處于輕載狀態(tài)時,工作狀態(tài)非常穩(wěn)定,電壓波動小、電壓調(diào)整率極佳。當(dāng)滿負(fù)載工作時,變壓器、TOP258YN等各器件都能正常工作,而且電壓輸出依然保持正常。
利用TOP258YN開關(guān)電源芯片實現(xiàn)了直流開關(guān)穩(wěn)壓穩(wěn)流電源的穩(wěn)壓輸出,輸出最大功率是38 W,能夠滿足38W及以下的功率需求,工作穩(wěn)定可靠,低噪聲,電壓波動范圍小,適用于各種穩(wěn)壓供電的場合。
[1]牛力.多路輸出反激式開關(guān)電源的設(shè)計與實現(xiàn)[D].西安:陜西科技大學(xué)電氣工程學(xué)院,2012:10-25
[2]馬若飛.改進(jìn)的五維數(shù)據(jù)場算法和反激式開關(guān)電源的優(yōu)化[D].南昌:南昌航空大學(xué)機械與自動化學(xué)院,2012:10-25
[3]李探元,羅純哲.基于SG6859的反激式開關(guān)電源設(shè)計[J].通信電源技術(shù),2012(1):58-59
[4]楊紅梅,張偉,趙建泉.基于UC1842的高可靠低紋波多路輸出開關(guān)電源的設(shè)計[J].通信電源技術(shù),2012(2):224-226
[5]岳鵬,田聯(lián)房.數(shù)字控制全橋軟開關(guān)電源的Saber仿真分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2010,10(2):110-115
[6]吳國平,楊仁剛,杜海江.一種基于NCP1014的反激式開關(guān)電源設(shè)計研究[J].電力電子技術(shù),2010,5(1):120-125