基于TOPSwitch的反激式DC/DC變換器設計

侯曉云

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基于TOPSwitch的反激式DC/DC變換器設計

侯曉云

(衡水學院 電子信息工程學院，河北 衡水 053000)

開關(guān)電源以其體積小、效率高等優(yōu)點被廣泛應用于計算機等各類電子設備中，小型化是其發(fā)展趨勢之一．DC/DC變換器是開關(guān)電源的核心部分．設計了一種基于TOPSwitch的反激式DC/DC變換器，主要包括主電路、控制電路、反饋電路等部分．對電路進行了制作與測試．實驗結(jié)果表明，電路輸出電壓穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、體積較小、簡化了設計過程．

反激式；TOPSwitch；DC/DC變換器

在生產(chǎn)生活中常常用到直流穩(wěn)壓電源．由于直流電源的設計包括模擬、數(shù)字電路設計、功率開關(guān)管選取、電感繞制、控制電路、反饋電路設計等一系列問題，故設計過程較為復雜．美國PI公司生產(chǎn)的TOPSwitch-GX系列芯片將功率開關(guān)管MOSFET與控制電路合為一體，并具有過壓、欠壓保護等功能，從而使外圍電路更加簡單，簡化了直流穩(wěn)壓電源的設計過程，是目前設計反激式DC/DC變換器的理想選擇[1]．

1 反激式DC/DC變換器基本工作原理

當變壓器的初級線圈被直流電壓激勵時，變壓器的次級線圈不向負載提供功率輸出，而僅在變壓器初級線圈的激勵電壓被關(guān)斷后才向負載提供功率輸出，這種變換器稱為反激式DC/DC變換器，見圖1．

圖1 反激式DC/DC變換器

圖1中K1為高速開通、關(guān)斷的開關(guān)管，K1被控制脈沖激勵而導通時，輸入電壓Ui便施加到高頻變壓器T的原邊繞組上．由于變壓器T副邊的整流二極管D反接，因此副邊繞組沒有電流流過；當K1截止時，副邊繞組上的電壓極性顛倒，D正偏，K1導通期間儲存在T中的能量便通過D向負載釋放．在開關(guān)管導通期間變壓器儲存能量，在開關(guān)管截止期間才向負載傳遞能量．高頻變壓器可以實現(xiàn)輸入與輸出部分的電氣隔離，在工作中除了起變壓作用外，還相當于一個儲能用的大電感．

2 基于TOPSwitch的反激式DC/DC變換器設計

主要設計指標：

直流輸入電壓i= 55 ~ 65 V；直流輸出電壓o= 6 V；輸出電流o= 2 A；工作頻率= 132 kHz；最大占空比max= 0.4；電壓調(diào)整率≤ 1.5 %；負載調(diào)整率≤ 1.5 %．

2.1 主電路設計

在反激式DC/DC變換器主電路設計中，變壓器設計是主要部分，設計步驟如下．

1) 選擇磁芯

根據(jù)工作頻率和功率，選擇EI28磁芯，e= 86 mm2．

2) 計算變壓器一次峰值電流

假定電源變換器的最大占空比max= 0.4，變壓器一次峰值電流為．

3) 計算反射電壓

4) 計算變壓器的一次電感量

5) 計算一次繞組匝數(shù)

6) 計算二次繞組匝數(shù)

7) 計算輔助繞組匝數(shù)

為使光耦實現(xiàn)正常反饋，輔助繞組匝數(shù)c=8匝．

8) 漆包線選擇

選取電流密度= 3 A/mm2，則初級、次級所用漆包線面積分別為S= 0.15 mm2和S= 0.5 mm2．則初次級所需漆包線直徑分別為d= 0.44 mm和d= 1.13 mm．

所以，變壓器初級選擇= 0.4 mm的漆包線，次級選擇兩根= 0.6 mm的漆包線并繞，輔助繞組選擇= 0.4 mm的漆包線．

2.2 反饋控制電路設計

1) 控制電路

TOPSwitch-GX系列是美國Power Integrations(PI)公司開發(fā)的新型開關(guān)電源芯片，以高性價比將高壓MOSFET、PWM控制器、故障自動保護功能及其它控制電路集成到一個硅片上，被廣泛應用到開關(guān)穩(wěn)壓電源中．TOPSwitch-GX還集成了多項新功能，可以降低系統(tǒng)成本，提高了設計靈活性及效率．它不僅電路簡單，而且可靠性高，具有廣闊的應用前景．因此，本設計中選用TOP244控制芯片．

芯片中C為控制引腳，將次級輸出電壓信號反饋接入C腳．D為漏極引腳，與變壓器初級相連．S為源極引腳，是功率MOSFET的源極連接點，也是初級控制電路的公共點及參考點．X為外部流限引腳，是外部流限調(diào)節(jié)、遠程開/關(guān)控制和同步的輸入引腳，連接至源極引腳則禁用此引腳的所有功能．L為線電壓檢測引腳，作為過壓、欠壓保護等功能輸入引腳，連接至源極引腳則禁用此引腳的所有功能．F為頻率管腳，用于選擇開關(guān)頻率的輸入腳，將其連接至源極管腳S，開關(guān)頻率確定為132 kHz[2]．

2) 反饋電路

反饋電路設計采用精密電壓基準TL431和光電耦合器PC817配合實現(xiàn)．首先，取1= 470 Ω，根據(jù)TL431原理，3、4、o、r滿足關(guān)系．其中，o為輸出電壓，r為參考電壓2.50 V．令4＝5 kΩ，則．整體電路圖見圖2．

圖2 基于TOPSwitch的反激式DC/DC變換器

3 實驗結(jié)果

負載電流固定為2 A．輸入電壓為55 V時，輸出電壓為O1= 5.95 V；輸入電壓為65 V時，輸出電壓為O2= 6.03 V．電壓調(diào)整率為．

輸入電壓固定為60 V．負載電流為2 A時，輸出電壓為O1= 5.99 V；負載電流為1 A時，輸出電壓為O2= 5.90 V．負載調(diào)整率為．

4 結(jié)語

采用TOPSwitch-GX芯片設計的反激式DC/DC變換器，能夠滿足各項設計指標要求，并且與用分立元件設計的開關(guān)電源相比，功率開關(guān)管MOSFET與控制電路集成在同一芯片內(nèi)，外圍電路更為簡單，設計過程得以簡化．

[1] 付登萌,陶生桂.基于TOPSwitch的反激式DC/DC電源設計[J].同濟大學學報:自然科學版,2004,32(5):680-684.

Design of Flyback DC/DC Converter by Using TOPSwitch

HOU Xiao-yun

(College of Electronic Information Engineering, Hengshui University, Hengshui, Hebei 053000, China)

SMPS is widely applied in computers and other electric equipment, the advantage of which is its small size and high efficiency. The development trend of it is miniaturization. DC/DC converter is the core part of SMPS. A Flyback DC/DC converter using TOPSwitch is designed. Main circuit, control circuit and feedback circuit designs are included. The circuit is manufactured and tested. The experimental results show the output voltage is stable, the circuit is simple, the size is small and the design process is simplified.

Flyback; TOPSwitch; DC/DC converter

(責任編校：李建明 英文校對：李玉玲)

10.3969/j.issn.1673-2065.2015.01.008

TN402

A

1673-2065(2013)04-0026-03

2014-05-04

侯曉云(1984-)，女，河北衡水人，衡水學院電子信息工程學院講師，工學碩士．