基于TOP249Y芯片的開關電源設計方法
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1 引言
隨著PWM技術的不斷發(fā)展和完善,開關電源得到了廣泛的應用,以往開關電源的設計通常采用控制電路與功率管相分離的拓撲結構,但這種方案存在成本高、系統(tǒng)可靠性低等問題.美國功率集成公司POWER Integration Inc 開發(fā)的TOP Switch系列新型智能高頻開關電源集成芯片解決了這些問題,該系列芯片將自啟動電路、功率開關管、PWM控制電路及保護電路等集成在一起,從而提高了電源的效率,簡化了開關電源的設計和新產品的開發(fā),使開關電源發(fā)展到一個新的時代.文中介紹了一種用TOP Switch的第三代產品TOP249Y開發(fā)變頻器用多路輸出開關電源的設計方法.
2 TOP249Y引腳功能和內部結構
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.它有六個管腳,依次為控制端C、線路檢測端L、極限電源設定端X、源極S、開關頻率選擇端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,利用控制電流IC的大小可調節(jié)占空比,并可由內部并聯(lián)調整器提供內部偏流.系統(tǒng)關閉時,利用該端可激發(fā)輸入電流,同時該端也是旁路、自動重啟和補償電容的連接點.
線路檢測端L:輸入電壓的欠壓與過壓檢測端,同時具有遠程遙控功能.TOP249Y的欠壓電流IUV為50μA,過壓電流Iav為225μA.若L端與輸入端接入的電阻R1為1MΩ,則欠壓保護值為50VDC,過壓保護值為225VDC.
極限電流設定端X:外部電流設定調整端.若在X端與源極之間接入不同的電阻,則開關電流可限定在不同的數(shù)值,隨著接入電阻阻值的增大,開關允許流過的電流將變小.
源極S:連接內部MOSFET的源極,是初級電路的公共點和電源回流基準點.
開關頻率選擇端F:當F端接到源極時,其開關頻率為132kHz,而當F端接到控制端時,其開關頻率變?yōu)樵l率的一半,即66kHz.
漏極D:連接內部MOSFET的漏極,在啟動時可通過內部高壓開關電流提供內部偏置電流.
2.2 TOP249Y的內部結構
TOP249Y的內部工作原理框圖如圖2所示,該電路主要由控制電壓源、帶隙基準電壓源、振蕩器、并聯(lián)調整器/誤差放大器、脈寬調制器(PWM)、門驅動級和輸出級、過流保護電路、過熱保護電路、關斷/自動重起動電路及高壓電流源等部分組成.
3 基于TOP249Y的開關電源設計
筆者利用TOP249Y設計了一種新型多路輸出開關電源,其三路輸出分別為5V/10A、12.5V/4A、7V/10A,電路原理如圖3所示.該電源設計的要求為:輸入電壓范圍為交流110V～240V,輸出總功率為180W.由此可見,選擇TOP249Y能夠滿足要求.
3.1 外圍控制電路設計
該電路將X與S端短接可將TOP249Y的極限電流設置為內部最大值;而將F端與S端短接可將TOP249Y設為全頻工作方式,開關頻率為132kHz.
在線路檢測端L與直流輸入Ui端連接一2MΩ的電阻R1可進行線路檢測,由于TOP249Y的欠壓電流IUV為50μA,過壓電流Iav為225μA,因此其欠壓保護工作電壓為100V,過壓保護工作電壓為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將自動關閉.
3.2 穩(wěn)壓反饋電路設計
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,反饋電壓由5V/12A輸出端取樣.電壓反饋信號U0通過電阻分壓器R9、R11獲得取樣電壓后,將與TL431中的2.5V基準電壓進行比較并輸出誤差電壓,然后通過光耦改變TOP249Y的控制端電流IC,再通過改變占空比來調節(jié)輸出電壓U0使其保持不變.光耦的另一作用是對冷地和熱地進行隔離.反饋繞組的輸出電壓經D2、C2整流濾波后,可給光耦中的接收管提供電壓.R4、C4構成的尖峰電壓經濾波后可使偏置電壓即使在負載較重時,也能保持穩(wěn)定,調節(jié)電阻R6可改變輸出電壓的大小.
3.3 高頻變壓器設計
由于該電源的輸出功率較大,因此高頻變壓器的漏感應盡量小,一般應選用能夠滿足132kHz開關頻率的錳鋅鐵氧體,為便于繞制,磁芯形狀可選用EI或EE型,變壓器的初、次級繞組應相間繞制.
高頻變壓器的設計由于要考慮大量的相互關聯(lián)變量,因此計算較為復雜,為減輕設計者的工作量,美國功率公司為TOP Switch開關電源的高頻變壓器設計制作了一套EXCEL電子表格,設計者可以方便地應用電子表格設計高頻變壓器.
3.4 次級輸出電路設計
輸出整流濾波電路由整流二極管和濾波電容構成.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,但肖特基二極管應加上功率較大的散熱器;電容器一般應選擇低ESR等效串聯(lián)阻抗 的電容.為提高輸出電壓的濾波效果,濾除開關所產生的噪聲,在整流濾波環(huán)節(jié)的后面通常應再加一級LCC濾波環(huán)節(jié).
3.5 保護電路設計
本電源除了電源控制電路TOP249Y本身所具備的欠壓、過壓、過熱、過流等保護措施外,其外圍控制電路也應有一定的保護措施.用D3、R12、Q1可構成一個5.5V的過壓檢測保護電路.這樣,當5V輸出電壓超過5.5V時,D3擊穿使Q1導通,從而使光耦電流增大,進而增大了控制電路TOP249Y的控制端電流IC,最后通過內部調節(jié)即可使輸出電壓下降到安全值.
為防止在開關周期內,TOP249Y關斷時漏感產生的尖峰電壓使TOP249Y損壞,電路中設計了由箝壓齊納管VR1、阻斷二極管D1、電容C5、電阻R2、R3組成的緩沖保護網(wǎng)絡.該網(wǎng)絡在正常工作時,VR1上的損耗很小,漏磁能量主要由R2和R3承擔;而在啟動或過載時,VR1即會限制內部MOSFET的漏極電壓,以使其總是處于700V以下.
根據(jù)以上設計方法,筆者對采用TOP249Y設計的多路輸出開關電源的性能進行了測試.實測結果表明,該電源工作在滿載狀態(tài)時,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、電壓調節(jié)精度及電源工作效率都超過了以往采用控制電路與功率開關管相分立的拓撲結構形式的開關電源.
5 結論
由于TOP249Y芯片內部集成有PWM控制器、功率開關MOSFET以及多種保護電路,所以采用該芯片設計出的開關電源具有成本低、外圍線路簡單、體積小、效率及可靠性高等特點,因而在中功率電子設備中具有廣泛的應用前景.本文設計的開關電源已應用于某變頻器的控制電路中,且取得了較好的應用效果.
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