多路輸出單端反激式開關(guān)電源原理及設(shè)計(jì)

本文介紹了一種基于TOPSwith系列芯片設(shè)計(jì)的小功率多路輸出AC/DC開關(guān)電源的原理及設(shè)計(jì)方法。

設(shè)計(jì)要求

本文設(shè)計(jì)的開關(guān)電源將作為智能儀表的電源，最大功率為10 W。為了減少PCB的數(shù)量和智能儀表的體積，要求電源尺寸盡量小并能將電源部分與儀表主控部分做在同一個(gè)PCB上。

考慮10W的功率以及小體積的因素，電路選用單端反激電路。單端反激電路的特點(diǎn)是：電路簡(jiǎn)單、體積小巧且成本低。單端反激電路由輸入濾波電路、脈寬調(diào)制電路、功率傳遞電路(由開關(guān)管和變壓器組成)、輸出整流濾波電路、誤差檢測(cè)電路(由芯片TL431及周圍元件組成)及信號(hào)傳遞電路(由隔離光耦及電阻組成)等組成。本電源設(shè)計(jì)成表面貼裝的模塊電源，其具體參數(shù)要求如下：

輸出最大功率：10W

輸入交流電壓：85～265V

輸出直流電壓／電流：+5V，500mA；+12V，150mA；+24V，100mA

紋波電壓：≤120mV

單端反激式開關(guān)電源的控制原理

所謂單端是指TOPSwitch-II系列器件只有一個(gè)脈沖調(diào)制信號(hào)功率輸出端一漏極D。反激式則指當(dāng)功率MOSFET導(dǎo)通時(shí)，就將電能儲(chǔ)存在高頻變壓器的初級(jí)繞組上，僅當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)，才向次級(jí)輸送電能，由于開關(guān)頻率高達(dá)100kHz，使得高頻變壓器能夠快速存儲(chǔ)、釋放能量，經(jīng)高頻整流濾波后即可獲得直流連續(xù)輸出。這也是反激式電路的基本工作原理。而反饋回路通過控制TOPSwitch器件控制端的電流來調(diào)節(jié)占空比，以達(dá)到穩(wěn)壓的目的。

TOPSwitch-Ⅱ系列芯片選型及介紹

TOPSwitch-Ⅱ系列芯片的漏極(D)與內(nèi)部功率開關(guān)器件MOSFET相連，外部通過負(fù)載電感與主電源相連，在啟動(dòng)狀態(tài)下通過內(nèi)部開關(guān)式高壓電源提供內(nèi)部偏置電流，并設(shè)有電流檢測(cè)?？刂茦O(C)用于占空比控制的誤差放大器和反饋電流的輸入引腳，與內(nèi)部并聯(lián)穩(wěn)壓器連接，提供正常工作時(shí)的內(nèi)部偏置電流，同時(shí)也是提供旁路、自動(dòng)重起和補(bǔ)償功能的電容連接點(diǎn)。源極(S)與高壓功率回路的MOSFET的源極相連，兼做初級(jí)電路的公共點(diǎn)與參考點(diǎn)。內(nèi)部輸出極MOSFET的占空比隨控制引腳電流的增加而線性下降，控制電壓的典型值為5.7 V，極限電壓為9 V，控制端最大允許電流為100 mA。

在設(shè)計(jì)時(shí)還對(duì)閾值電壓采取了溫度補(bǔ)償措施，以消除因漏源導(dǎo)通電阻隨溫度變化而引起的漏極電流變化。當(dāng)芯片結(jié)溫大于135℃時(shí)，過熱保護(hù)電路就輸出高電平，關(guān)斷輸出極。此時(shí)控制電壓Vc進(jìn)入滯后調(diào)節(jié)模式，Vc端波形也變成幅度為4.7V～5.7V的鋸齒波．若要重新啟動(dòng)電路，需斷電后再接通電路開關(guān)，或者將Vc降至3.3V以下，再利用上電復(fù)位電路將內(nèi)部觸發(fā)器置零，使MOSFET恢復(fù)正常工作。

采用TOPSwitch-Ⅱ系列設(shè)計(jì)單片開關(guān)電源時(shí)所需外接元器件少，而且器件對(duì)電路板布局以及輸入總線瞬變的敏感性大大減少，故設(shè)計(jì)十分方便，性能穩(wěn)定，性價(jià)比更高。

對(duì)于芯片的選擇主要考慮輸入電壓和功率。由設(shè)計(jì)要求可知，輸入電壓為寬范圍輸入，輸出功率不大于10W，故選擇TOP222G。

電路設(shè)計(jì)

本開關(guān)電源的原理圖如圖1所示。

電源主電路為反激式，C1、L1、C2，接在交流電源進(jìn)線端，用于濾除電網(wǎng)干擾，C5接在高壓和地之間，用于濾除高頻變壓器初、次級(jí)后和電容產(chǎn)生的共模干擾，在國際標(biāo)準(zhǔn)中被稱為Y電容。C1跟C5都稱作安全電容，但C1專門濾除電網(wǎng)線之間的串模干擾，被稱為X電容。

為承受可能從電網(wǎng)線竄入的電擊，可在交流端并聯(lián)一個(gè)標(biāo)稱電壓u1mA為275V的壓敏電阻VSR。

鑒于在功率MOSFET關(guān)斷的瞬間，高頻變壓器的漏感產(chǎn)生尖峰電壓UL，另外，在原邊上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)反向電動(dòng)勢(shì)UOR，二者疊加在直流輸入電壓上。典型的情況下，交流輸入電壓經(jīng)整流橋整流后，其最高電壓UImax=380V，UL≈165V，UOR=135V，貝UOR+UL+UOR≈680V。這就要求功率MOSFET至少能承受700V的高壓，同時(shí)還必須在漏極增加鉗位電路，用以吸收尖峰電壓，保護(hù)TOP222G中的功率MOSFET。本電源的鉗位電路由D2、D3組成。其中D2為瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)P6KE200，D3為超快恢復(fù)二極管UF4005。當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，原邊電壓上端為正，下端為負(fù)，使得D3截止，鉗位電路不起作用。在MOSFET截止瞬間，原邊電壓變?yōu)橄露藶檎?，上端為?fù)，此時(shí)D1導(dǎo)通，電壓被限制在200V左右。