基于TOP204雙路輸出開關(guān)電源設(shè)計

1引言

真空鍍膜技術(shù)在近10幾年迅猛的發(fā)展中，已經(jīng)涉及到各個行業(yè)。尤其是磁控濺射技術(shù)在薄膜制備領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。磁控濺射電源就是針對磁控濺射環(huán)節(jié)所設(shè)計使用的開關(guān)電源，其性能直接關(guān)系到鍍膜產(chǎn)品的質(zhì)量，已成為衡量磁控濺射設(shè)備狀態(tài)的重要對象。因此，設(shè)計性能良好的電源就成為了行業(yè)研究的熱點問題。近幾年來，隨著電力電子功率變換技術(shù)的不斷進步和完善，PWM控制的開關(guān)電源以其極高的性價比獲得了廣泛的應(yīng)用。尤其是單片開關(guān)電源控制芯片獲得了長足的發(fā)展，TOPSWITCH系列單片電源芯片已將自啟動電路、功率MOSFET，PWM控制電路以及保護電路集成在一起，再通過小型高頻變壓器便可使輸出電壓與電網(wǎng)輸入完全隔離，不僅提高了電源的效率，簡化了外圍電路，而且降低了電源成本和體積，增強了電源的可靠性。

在對產(chǎn)品進行鍍膜的過程中，需要對電壓的穩(wěn)定性進行檢測，而檢測系統(tǒng)需要輸入穩(wěn)定、精確度高的±15V直流電源。由于受到體積限制，這兩路電源變換應(yīng)盡可能結(jié)構(gòu)簡單、輸入電壓范圍寬、可靠實用，同時滿足較好的隔離性(若采用UC3842芯片，其電源部分不僅成本提高，而且增加了整個控制系統(tǒng)的體積)。

為此，本文根據(jù)單端反激式開關(guān)電源原理，選擇了TOP204單片電源控制芯片作為核心器件，提出了一種可實用于代替UC3842芯片的開關(guān)電源。該開關(guān)電源不僅可以滿足檢測系統(tǒng)所需電壓，而且電路簡單、可靠、穩(wěn)壓性能好，開關(guān)電源部分所用器件少，從而使整個檢測系統(tǒng)的體積減小。

2電路設(shè)計

圖1為采用TOP204芯片構(gòu)建的單端反激式隔離開關(guān)穩(wěn)壓電源原理圖。輸入為（~220±15%）V交流市電，輸出雙路電壓分別為+15V，-15V直流電，其兩路輸出功率均為7.5W。

由于TOP204的高度集成性，設(shè)計工作主要圍繞其外部電路進行，同時結(jié)合檢測系統(tǒng)用電特點對其輸出電壓精確度進行分析。根據(jù)TOP204芯片的工作原理，其外圍電路可分為輸入整流濾波電路、漏極保護電路、變壓器、輸出整流濾波電路以及反饋電路五部分，下面將分別進行原理和功能分析。

圖1單端反激式隔離開關(guān)穩(wěn)壓電源原理圖

2.1輸入整流濾波電路

220V的交流市電通過保險絲和8w的水泥電阻之后，進入EMI濾波器，它是由C1、Lt和C2組成。其中C1、C2是為了除去差模干擾，其值為0.1μF/630V。Lt為濾波線圈，采取雙線并繞，其值為33mH。整流電路采用反向耐壓大于400V，沖擊電流大于額定整流電流（7~10）倍的整流二極管，且整流二極管的穩(wěn)態(tài)電流容量應(yīng)為計算值的兩倍。由此選擇4個FR107二極管做整流橋。

電容+C1的值可根據(jù)經(jīng)驗1μF/w來取，考慮到裕量，+C1=68μF/400V。由于220V交流市電在15%之間波動，故VACmax=253V，VACmin=187V。假設(shè)整流橋中二極管導(dǎo)通時間為Ton=3ms，由式(1)和式(2)可得輸入直流電壓最小值和最大值為：

式中：η1為系統(tǒng)效率，可選80%；fl為交流電網(wǎng)頻率；Po為電源輸出功率。

2.2漏極嵌位電路

當(dāng)TOP204中的主功率MOSFET由導(dǎo)通變成截止時，在高頻變壓器T的初級繞組Ll上會產(chǎn)生尖峰電壓和感應(yīng)電壓，其中尖峰電壓是由于高頻變壓器存在漏感而形成，它與直流高壓和感應(yīng)電壓疊加后很容易損壞主功率管。為此，必須設(shè)計漏極嵌位電路，對尖峰電壓進行嵌位或吸收。

DZ和D5構(gòu)成的嵌位電路可防止高電壓對TOP204的損壞。其中DZ采用型號為P6KE200，反向擊穿電壓為220V的TVS（瞬態(tài)電壓抑制器)，D5采用型號為BYV36C，反向耐壓為700V的超快恢復(fù)二極管。

2.3變壓器設(shè)計

（1）鐵芯類型

根據(jù)TOP204芯片100kHz的工作頻率選用錳鋅鐵氧體。通常，輸出功率和磁芯截面積由經(jīng)驗公式計算，即

式中：Ae為變壓器磁芯的有效截面積(cm2)；Po為電源的輸出功率(w)；η2為變壓器的效率，一般取85%。
根據(jù)經(jīng)驗公式的計算，可以選擇EI-22鐵氧體磁芯，其有效截面積大于Ae的計算值。