基于TOP249Y芯片的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)方法
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
1 引言
隨著PWM技術(shù)的不斷發(fā)展和完善,開(kāi)關(guān)電源得到了廣泛的應(yīng)用,以往開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)通常采用控制電路與功率管相分離的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),但這種方案存在成本高、系統(tǒng)可靠性低等問(wèn)題.美國(guó)功率集成公司POWER Integration Inc 開(kāi)發(fā)的TOP Switch系列新型智能高頻開(kāi)關(guān)電源集成芯片解決了這些問(wèn)題,該系列芯片將自啟動(dòng)電路、功率開(kāi)關(guān)管、PWM控制電路及保護(hù)電路等集成在一起,從而提高了電源的效率,簡(jiǎn)化了開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)和新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā),使開(kāi)關(guān)電源發(fā)展到一個(gè)新的時(shí)代.文中介紹了一種用TOP Switch的第三代產(chǎn)品TOP249Y開(kāi)發(fā)變頻器用多路輸出開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法.
2 TOP249Y引腳功能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)
2.1 TOP249Y的管腳功能
TOP249Y采用TO-220-7C封裝形式,其外形如圖1所示.它有六個(gè)管腳,依次為控制端C、線路檢測(cè)端L、極限電源設(shè)定端X、源極S、開(kāi)關(guān)頻率選擇端F和漏極D.各管腳的具體功能如下:
控制端C:誤差放大電路和反饋電流的輸入端.在正常工作時(shí),利用控制電流IC的大小可調(diào)節(jié)占空比,并可由內(nèi)部并聯(lián)調(diào)整器提供內(nèi)部偏流.系統(tǒng)關(guān)閉時(shí),利用該端可激發(fā)輸入電流,同時(shí)該端也是旁路、自動(dòng)重啟和補(bǔ)償電容的連接點(diǎn).
線路檢測(cè)端L:輸入電壓的欠壓與過(guò)壓檢測(cè)端,同時(shí)具有遠(yuǎn)程遙控功能.TOP249Y的欠壓電流IUV為50μA,過(guò)壓電流Iav為225μA.若L端與輸入端接入的電阻R1為1MΩ,則欠壓保護(hù)值為50VDC,過(guò)壓保護(hù)值為225VDC.
極限電流設(shè)定端X:外部電流設(shè)定調(diào)整端.若在X端與源極之間接入不同的電阻,則開(kāi)關(guān)電流可限定在不同的數(shù)值,隨著接入電阻阻值的增大,開(kāi)關(guān)允許流過(guò)的電流將變小.
源極S:連接內(nèi)部MOSFET的源極,是初級(jí)電路的公共點(diǎn)和電源回流基準(zhǔn)點(diǎn).
開(kāi)關(guān)頻率選擇端F:當(dāng)F端接到源極時(shí),其開(kāi)關(guān)頻率為132kHz,而當(dāng)F端接到控制端時(shí),其開(kāi)關(guān)頻率變?yōu)樵l率的一半,即66kHz.
漏極D:連接內(nèi)部MOSFET的漏極,在啟動(dòng)時(shí)可通過(guò)內(nèi)部高壓開(kāi)關(guān)電流提供內(nèi)部偏置電流.
2.2 TOP249Y的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
TOP249Y的內(nèi)部工作原理框圖如圖2所示,該電路主要由控制電壓源、帶隙基準(zhǔn)電壓源、振蕩器、并聯(lián)調(diào)整器/誤差放大器、脈寬調(diào)制器(PWM)、門驅(qū)動(dòng)級(jí)和輸出級(jí)、過(guò)流保護(hù)電路、過(guò)熱保護(hù)電路、關(guān)斷/自動(dòng)重起動(dòng)電路及高壓電流源等部分組成.
3 基于TOP249Y的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)
筆者利用TOP249Y設(shè)計(jì)了一種新型多路輸出開(kāi)關(guān)電源,其三路輸出分別為5V/10A、12.5V/4A、7V/10A,電路原理如圖3所示.該電源設(shè)計(jì)的要求為:輸入電壓范圍為交流110V～240V,輸出總功率為180W.由此可見(jiàn),選擇TOP249Y能夠滿足要求.
3.1 外圍控制電路設(shè)計(jì)
該電路將X與S端短接可將TOP249Y的極限電流設(shè)置為內(nèi)部最大值;而將F端與S端短接可將TOP249Y設(shè)為全頻工作方式,開(kāi)關(guān)頻率為132kHz.
在線路檢測(cè)端L與直流輸入U(xiǎn)i端連接一2MΩ的電阻R1可進(jìn)行線路檢測(cè),由于TOP249Y的欠壓電流IUV為50μA,過(guò)壓電流Iav為225μA,因此其欠壓保護(hù)工作電壓為100V,過(guò)壓保護(hù)工作電壓為450V,即TOP249Y在本電路中的直流電壓范圍為100～450V,一旦超出了該電壓范圍,TOP249Y將自動(dòng)關(guān)閉.
3.2 穩(wěn)壓反饋電路設(shè)計(jì)
反饋回路的形式由輸出電壓的精度決定,本電源采用“光耦+TL431”,它可以將輸出電壓變化控制在±1%以內(nèi),反饋電壓由5V/12A輸出端取樣.電壓反饋信號(hào)U0通過(guò)電阻分壓器R9、R11獲得取樣電壓后,將與TL431中的2.5V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較并輸出誤差電壓,然后通過(guò)光耦改變TOP249Y的控制端電流IC,再通過(guò)改變占空比來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓U0使其保持不變.光耦的另一作用是對(duì)冷地和熱地進(jìn)行隔離.反饋繞組的輸出電壓經(jīng)D2、C2整流濾波后,可給光耦中的接收管提供電壓.R4、C4構(gòu)成的尖峰電壓經(jīng)濾波后可使偏置電壓即使在負(fù)載較重時(shí),也能保持穩(wěn)定,調(diào)節(jié)電阻R6可改變輸出電壓的大小.
3.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)
由于該電源的輸出功率較大,因此高頻變壓器的漏感應(yīng)盡量小,一般應(yīng)選用能夠滿足132kHz開(kāi)關(guān)頻率的錳鋅鐵氧體,為便于繞制,磁芯形狀可選用EI或EE型,變壓器的初、次級(jí)繞組應(yīng)相間繞制.
高頻變壓器的設(shè)計(jì)由于要考慮大量的相互關(guān)聯(lián)變量,因此計(jì)算較為復(fù)雜,為減輕設(shè)計(jì)者的工作量,美國(guó)功率公司為TOP Switch開(kāi)關(guān)電源的高頻變壓器設(shè)計(jì)制作了一套EXCEL電子表格,設(shè)計(jì)者可以方便地應(yīng)用電子表格設(shè)計(jì)高頻變壓器.
3.4 次級(jí)輸出電路設(shè)計(jì)
輸出整流濾波電路由整流二極管和濾波電容構(gòu)成.整流二極管選用肖特基二極管可降低損耗并消除輸出電壓的紋波,但肖特基二極管應(yīng)加上功率較大的散熱器;電容器一般應(yīng)選擇低ESR等效串聯(lián)阻抗 的電容.為提高輸出電壓的濾波效果,濾除開(kāi)關(guān)所產(chǎn)生的噪聲,在整流濾波環(huán)節(jié)的后面通常應(yīng)再加一級(jí)LCC濾波環(huán)節(jié).
3.5 保護(hù)電路設(shè)計(jì)
本電源除了電源控制電路TOP249Y本身所具備的欠壓、過(guò)壓、過(guò)熱、過(guò)流等保護(hù)措施外,其外圍控制電路也應(yīng)有一定的保護(hù)措施.用D3、R12、Q1可構(gòu)成一個(gè)5.5V的過(guò)壓檢測(cè)保護(hù)電路.這樣,當(dāng)5V輸出電壓超過(guò)5.5V時(shí),D3擊穿使Q1導(dǎo)通,從而使光耦電流增大,進(jìn)而增大了控制電路TOP249Y的控制端電流IC,最后通過(guò)內(nèi)部調(diào)節(jié)即可使輸出電壓下降到安全值.
為防止在開(kāi)關(guān)周期內(nèi),TOP249Y關(guān)斷時(shí)漏感產(chǎn)生的尖峰電壓使TOP249Y損壞,電路中設(shè)計(jì)了由箝壓齊納管VR1、阻斷二極管D1、電容C5、電阻R2、R3組成的緩沖保護(hù)網(wǎng)絡(luò).該網(wǎng)絡(luò)在正常工作時(shí),VR1上的損耗很小,漏磁能量主要由R2和R3承擔(dān);而在啟動(dòng)或過(guò)載時(shí),VR1即會(huì)限制內(nèi)部MOSFET的漏極電壓,以使其總是處于700V以下.
根據(jù)以上設(shè)計(jì)方法,筆者對(duì)采用TOP249Y設(shè)計(jì)的多路輸出開(kāi)關(guān)電源的性能進(jìn)行了測(cè)試.實(shí)測(cè)結(jié)果表明,該電源工作在滿載狀態(tài)時(shí),電源工作的最大占空比約為0.4,電源的效率約為90%,紋波電壓控制、電壓調(diào)節(jié)精度及電源工作效率都超過(guò)了以往采用控制電路與功率開(kāi)關(guān)管相分立的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式的開(kāi)關(guān)電源.
5 結(jié)論
由于TOP249Y芯片內(nèi)部集成有PWM控制器、功率開(kāi)關(guān)MOSFET以及多種保護(hù)電路,所以采用該芯片設(shè)計(jì)出的開(kāi)關(guān)電源具有成本低、外圍線路簡(jiǎn)單、體積小、效率及可靠性高等特點(diǎn),因而在中功率電子設(shè)備中具有廣泛的應(yīng)用前景.本文設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源已應(yīng)用于某變頻器的控制電路中,且取得了較好的應(yīng)用效果.
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