【文章內(nèi)容簡介】 驅(qū)動(dòng)芯片來設(shè)計(jì)主電路。該芯片屬于美國PI公司生產(chǎn)的TOPSwitch單片開關(guān)電源芯片TOP224Y，它屬于TOPSwitch－II系列中一種最常用的芯片，其封裝形式是TO220，自帶小散熱片，是典型的三端集成器件，三個(gè)管腳分別為控制端C，源極S，漏極D，其內(nèi)部功率MOSFET器件的耐壓值高達(dá)700V，可設(shè)計(jì)成40W以上儀器儀表的多路隔離式內(nèi)置控制電源，TOPSwitch－Ⅱ系列產(chǎn)品具有以下顯著特點(diǎn)：(1) 將脈寬調(diào)制(PWM)控制系統(tǒng)的全部功能集成到三端芯片中，內(nèi)含脈寬調(diào)制器、功率開關(guān)場效應(yīng)管(MOSFET)、自動(dòng)偏置電路、保護(hù)電路、高壓啟動(dòng)電路和環(huán)路補(bǔ)償電路，通過高頻變壓器使輸出端與電網(wǎng)完全隔離，真正實(shí)現(xiàn)了無工頻變壓器、隔離式開關(guān)電源的單片集成化，使用安全可靠。由于采用CMOS電路，使器件功耗顯著降低。(2) 采用漏極開路輸出，并利用控制極反饋電流IC來線性調(diào)節(jié)占空比實(shí)現(xiàn)AC/DC變換的，即屬于電流控制型單片開關(guān)電源。(3) 輸入交流電壓和頻率的范圍極寬。作固定電壓輸入時(shí)，可選110V/115V/230V交流電，允許變化177。15%。在寬電壓范圍輸入時(shí)，適配85～265V交流電，但輸出功率峰值POM要比前者降低40%。(4) 它只有三個(gè)引出端能以最簡方式構(gòu)成無工頻變壓器的單端反激式開關(guān)電源。開關(guān)頻率的典型值為100kHz，允許范圍是90k～110kHz，占空比調(diào)節(jié)范圍是1．7%～67%。(5) 外圍電路簡單,電磁干擾小，成本低廉。由于芯片本身功耗很低，電源效率可達(dá)80%左右，最高可達(dá)90%。因此，被譽(yù)為“綠色”電源。TOP224Y工作原理：OP224Y的內(nèi)部框圖如圖32所示，主要包括10個(gè)部分,其中Zc為控制端的動(dòng)態(tài)阻抗，RE是誤差電壓檢測電阻。RA與CA構(gòu)成截止頻率為7kHz的低通濾波器。主要特點(diǎn)是：(1) 前沿消隱設(shè)計(jì)，延遲了次級(jí)整流二級(jí)管反向恢復(fù)產(chǎn)生的尖峰電流沖擊；　(2) 自動(dòng)重啟動(dòng)功能，以典型值為5％的自動(dòng)重起動(dòng)占空比接通和關(guān)斷；(3) 低電磁干擾性（EMI），TOP系列器件采用了與外殼的源極相連，使金屬底座及散熱器的dv/dt=0，從而降低了電壓型控制方式與逐周期峰值電流限制；(4) 電壓型控制方式與逐周期峰值電流限制。下面簡要敘述一下：(1) 控制電壓源：控制電壓Uc能向并聯(lián)調(diào)整器和門驅(qū)動(dòng)極提供偏置電壓，圖32 TOP224Y內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖而控制端電流Ic則能調(diào)節(jié)占空比?？刂贫说目傠娙萦肅t表示，由它決定自動(dòng)重起動(dòng)的定時(shí)，同時(shí)控制環(huán)路的補(bǔ)償，Uc有兩種工作模式，一種是滯后調(diào)節(jié)，用于起動(dòng)和過載兩種情況，具有延遲控制作用；另一種是并聯(lián)調(diào)節(jié)，用于分離誤差信號(hào)與控制電路的高壓電流源。剛起動(dòng)電路時(shí)由DC極之間的高壓電流源提供控制端電流Ic，以便給控制電路供電并對(duì)Ct充電。(2) 帶隙基準(zhǔn)電壓源：帶隙基準(zhǔn)電壓源除向內(nèi)部提供各種基準(zhǔn)電壓之外，還產(chǎn)生一個(gè)具有溫度補(bǔ)償并可調(diào)整的電流源，以保證精確設(shè)定振蕩器頻率和門極驅(qū)動(dòng)電流。　(3) 振蕩器　　 內(nèi)部振蕩電容是在設(shè)定的上、下閾值UH、UL之間周期性地線性充放電，以產(chǎn)生脈寬調(diào)制器所需要的鋸齒波（SAW），與此同時(shí)還產(chǎn)生最大占空比信號(hào)(Dmax)和時(shí)鐘信號(hào)(CLOCK)。為減小電磁干擾，提高電源效率，振蕩頻率（即開關(guān)頻率）設(shè)計(jì)為100kHz，脈沖波形的占空比設(shè)定為D。(4) 放大器　　 誤差放大器的增益由控制端的動(dòng)態(tài)阻抗Zc來設(shè)定。Zc的變化范圍是10Ω～20Ω，典型值為15Ω。誤差放大器將反饋電壓UF與5．7V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較后，輸出誤差電流Ir，在RE上形成誤差電壓UR。(5) 脈寬調(diào)制器（PWM）　 脈寬調(diào)制器是一個(gè)電壓反饋式控制電路，它具有兩層含義。第一、改變控制端電流Ic的大小，即可調(diào)節(jié)占空比D，實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制。第二、誤差電壓UR經(jīng)由RA、CA組成截止頻率為7kHz的低通濾波器，濾掉開關(guān)噪聲電壓之后，加至PWM比較器的同相輸入端，再與鋸齒波電壓UJ進(jìn)行比較，產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)UB。　(6) 門驅(qū)動(dòng)級(jí)和輸出級(jí)　　 門驅(qū)動(dòng)級(jí)（F）用于驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管(MOSFET)，使之按一定速率導(dǎo)通，從而將共模電磁干擾減至最小。漏源導(dǎo)通電阻與產(chǎn)品型號(hào)和芯片結(jié)溫有關(guān)。MOSFET管的漏源擊穿電壓U(bo)ds≥700V。(7) 過流保護(hù)電路　　 過流比較器的反相輸入端接閾值電壓ULIMIT，同相輸入端接MOSFET管的漏極。此外，芯片還具有初始輸入電流限制功能。．75A。(8) 過熱保護(hù)電路　 當(dāng)芯片結(jié)溫TJ135℃時(shí)，過熱保護(hù)電路就輸出高電平，將觸發(fā)器Ⅱ置位，Q=1，關(guān)斷輸出級(jí)。此時(shí)進(jìn)入滯后調(diào)節(jié)模式，Uc端波形也變成幅度為4．7V～5．7V的鋸齒波。若要重新起動(dòng)電路，需斷電后再接通電源開關(guān)；或者將控制端電壓降至3．3V以下，達(dá)到Uc(reset)值，再利用上電復(fù)位電路將觸發(fā)器Ⅱ置零，使MOSFET恢復(fù)正常工作?！?9) 關(guān)斷/自起動(dòng)電路　　 一旦調(diào)節(jié)失控，關(guān)斷/自動(dòng)重起動(dòng)電路立即使芯片在5％占空比下工作，同時(shí)切斷從外部流入C端的電流，Uc再次進(jìn)入滯后調(diào)節(jié)模式。倘若故障己排除，Uc又回到并聯(lián)調(diào)節(jié)模式，自動(dòng)重新起動(dòng)電源恢復(fù)正常工作。自動(dòng)重起動(dòng)的頻率為1．2Hz。 (10) 高壓電流源　　 在起動(dòng)或滯后調(diào)節(jié)模式下，高壓電流源經(jīng)過電子開關(guān)S1給內(nèi)部電路提供偏置，并且對(duì)Ct進(jìn)行充電。電源正常工作時(shí)S1改接內(nèi)部電源，將高壓電流源關(guān)斷。當(dāng)TOP開關(guān)起動(dòng)操作時(shí)，在控制端環(huán)路振蕩電路的控制下，漏極端有電流流入芯片，提供開環(huán)輸入。該輸入通過旁路調(diào)整器、誤差放大器時(shí)，由控制端進(jìn)行閉環(huán)調(diào)整，改變Ir，經(jīng)由PWM控制MOSFET的輸出占空比，最后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。用TOP224Y芯片設(shè)計(jì)的單端反激式開關(guān)電源的原理圖如33（附圖）所示。輸入為＋85～265VAC，輸出為+12VDC，電流為+350mADC。由于TOPSwitch芯片集成度高，設(shè)計(jì)工作主要是外圍電路的設(shè)計(jì)。外圍電路基本分為：(1) 輸入整流濾波電路；(2) 高頻變壓器；(3) 箝位保護(hù)電路；(4) 輸出整流濾波電路；(5) 反饋電路5部分。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，按5個(gè)部分分別進(jìn)行說明。圖33 開關(guān)電源主電路圖 開關(guān)電源輸入回路（整流濾波電路）的設(shè)計(jì)輸入整流濾波電路包括交流濾波、整流部分和整流濾波電容。交流濾波采用技術(shù)成熟的Ⅱ型濾波電路，具體參數(shù)如下：去除查謨干擾的CC9為0．1；去除共模干擾的CC11為10Nf；濾波線圈L1為10~33mh，采用雙線并繞。整流電路選擇不可控的整流橋，整流二極管的反向耐壓應(yīng)大于400V，其承受的沖擊電流應(yīng)大雨額定整流電流的7~10倍。還應(yīng)注意，選定的整流二極管的穩(wěn)態(tài)電流容量應(yīng)為計(jì)算值的兩倍。本設(shè)計(jì)中，選用四個(gè)IN4007整流二極管構(gòu)成電流橋。在當(dāng)前的供電條件下電容C1的值可根據(jù)輸出功率按照1/W來取值，在考慮余量后，取C1=22/400V。交流電壓輸入范圍為85~265V，即：。假設(shè)整流橋中二極管導(dǎo)通時(shí)間為，代入下式得輸入直流電壓的最小值和最大值為： (31) (32)式中 —系統(tǒng)效率，可選擇80%； —交流電網(wǎng)頻率；一般取典型值100Khz； —電源輸出功率。代入數(shù)值計(jì)算得：=117V =166V 驅(qū)動(dòng)變壓器的設(shè)計(jì)單端反擊式變換器與半橋和全橋變換器的根本區(qū)別在于：高頻變壓器磁芯只工作在磁滯回線的第一象限。在開關(guān)導(dǎo)通時(shí)只儲(chǔ)存能量，而在截至?xí)r向負(fù)載傳遞能量。因此，它既是變壓器又是儲(chǔ)能電感，變壓器的具體設(shè)計(jì)過程分為三個(gè)步驟：第一步：根據(jù)設(shè)計(jì)要求、選用磁芯及芯片型號(hào)，設(shè)定或估算11個(gè)獨(dú)立的可直接輸入計(jì)算機(jī)的參數(shù)，包括交流輸入電壓最大值、交流輸入電壓最小值、電網(wǎng)頻率、開關(guān)頻率、輸出電壓、輸出頻率、電源效率、損耗分配系數(shù)、反饋電壓、整流橋響應(yīng)時(shí)間、輸入濾波電容的電容量。第二步：設(shè)定或計(jì)算與輸出狀態(tài)有關(guān)的10個(gè)參數(shù)。包括初級(jí)感應(yīng)電壓、漏源導(dǎo)通電壓、初級(jí)脈動(dòng)電流與峰值電流的比例系數(shù)、磁芯有效截面積、有效磁路長度、磁芯不留間隙時(shí)的等效電感、骨架的繞線寬度、初級(jí)匝數(shù)、次級(jí)匝數(shù)。第三步：確定并檢查其他相關(guān)參數(shù)，應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。(1) 選磁芯為滿足TOP224Y芯片100 kHz的工作頻率，選用錳鋅鐵氧體材料的磁芯。通常，輸出功率和磁芯截面積有下面的經(jīng)驗(yàn)公式： (33)式中，—為變壓器磁芯的有效截面積；Po—為電源的輸出功率(w)；—為變壓器的效率，一般取85％。帶入數(shù)值求得：=0．33根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算，選擇EI一28鐵氧體磁芯，其有效截面積為0．86，大于的計(jì)算值。(2) 計(jì)算最大占空比 (34)式中， —次級(jí)反射到初級(jí)的反射電壓，取135V；—MOSFET的漏—源極通態(tài)電壓，取10V。代入數(shù)值計(jì)算得：=55．8%(3) 計(jì)算變壓器的初級(jí)自感 (35)式中，——為開關(guān)頻率，取100kHz； ——為電源效率，可取80％。帶入數(shù)值求得=H (4) 計(jì)算變壓器的初、次級(jí)繞組匝數(shù)高頻變壓器的匝數(shù)比與輸出電壓的關(guān)系：匝數(shù)比定義為初級(jí)繞組匝數(shù)與次級(jí)繞組匝數(shù)的比值，匝數(shù)比取決于以下參數(shù)：最小直流輸入電壓、輸出電壓、初級(jí)感應(yīng)電壓、輸出整流管的正向壓降、其中最小直流輸入電壓又與儲(chǔ)存在輸入濾波器上的能量有關(guān)。對(duì)于AC85~265V輸入，次級(jí)繞組應(yīng)取0．6匝／V，輸出電壓Vo=12V，故求得次級(jí)繞組匝數(shù)為：匝(取整后)初級(jí)繞組匝數(shù)為：匝(取整后)反饋繞組匝數(shù)為：匝(取整后)式中，——為初級(jí)反射電壓，取135V；——為反饋電壓，取為10．4 V。(5) 計(jì)算氣隙長度為： (36)式中，—?dú)庀堕L度(mm)；—常數(shù)，；—磁芯截面積()；代入數(shù)值計(jì)算得：=0．68mm這里應(yīng)注意，如果在中心柱開氣隙，則高度為L，為了達(dá)到同樣效果且簡單易行，在兩個(gè)外柱上應(yīng)各墊1／2L 高度的絕緣墊片。(6) 確定導(dǎo)線線徑在100 kHz開關(guān)頻率下，銅導(dǎo)線的穿透深度是0．21 mm，故所選導(dǎo)線的直徑要小于0．42 mm。通過計(jì)算各繞組的平均電流(IAVG)、峰值電流(IP)、均方根電流(IRMS)可確定出所用導(dǎo)線的線徑。本設(shè)計(jì)中初級(jí)繞組和反饋繞組用線徑0．31mm的導(dǎo)線單股繞，次級(jí)繞組用線徑0．35mm的導(dǎo)線雙股并饒。 箝位保護(hù)電路的設(shè)計(jì)當(dāng)TOP224Y的功率MOSFET管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，在高頻變壓器T的初級(jí)繞組上會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓和反射電壓，其中尖峰電壓是由于高頻變壓器存在漏感而形成，直流高壓和反射電壓疊加后很容易損壞MOSFET管。為此，必須設(shè)計(jì)箝位保護(hù)電路，對(duì)尖峰電壓進(jìn)行箝位和吸收。主電路圖中VD1和VD2構(gòu)成的箝位電路可防止高壓對(duì)TOP224Y的損壞，VD1與VD2的選擇由反射電壓決定，一般取135V，VD1箝位電壓可由經(jīng)驗(yàn)公式得出，VD2的耐壓值應(yīng)大于最大直流輸入電壓。取為400V。本設(shè)計(jì)中VD1采用反向擊穿電壓為200V的TVS(瞬態(tài)電壓抑制器)P6KE200，VD2采用反向耐壓為600V的超快恢復(fù)二極管MUR1560。 輸出整流濾波電路的設(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。輸出整流二極管的開關(guān)損耗占系統(tǒng)損耗的多，是影響開關(guān)電源效率的主要因素，它包括正向?qū)〒p耗和反向恢復(fù)損耗。由于肖特基二極管反向恢復(fù)時(shí)間短，在降低反向恢復(fù)損耗以及消耗輸出電壓中的波紋方面有明顯的性能優(yōu)勢，所以選用肖特基二極管作為整流二極管。選取的原則是根據(jù)最大反向峰值電壓。次級(jí)繞組的反向峰值電壓為： (37)式中，—次級(jí)繞組輸出電壓，一般取25V；—輸入交流電壓最大值。代入數(shù)值計(jì)算得：=47V本設(shè)計(jì)中整流二極管選用MUR420，其反向電壓值VR=200 V，工作電流ID=2A，滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)輸出濾波電容，ESR(等效串聯(lián)阻抗)和波紋電流是它的兩個(gè)重要參量。當(dāng)電容兩端電壓小于35V時(shí)，ESR只與電容的體積有關(guān)，本設(shè)計(jì)選擇細(xì)高型的低ESR電容。輸出濾波電感采用3．3的穿心電感，它是近年來問世的一種超小型的非晶合金磁性材料，又叫磁珠電感。其外形呈管狀，引線穿心而過，其直流電阻非常小，一般為0．005~0．01。它能主動(dòng)抑制開關(guān)噪聲的產(chǎn)生。為減少共模干擾，在輸出的地與高壓側(cè)的地之間接共模抑制電容，如主電路圖中的。 反饋電路的設(shè)計(jì) 反饋回路的設(shè)計(jì)大致有4種類型：基本反饋電路；改進(jìn)型基本反饋電路；配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路；配TL431的光耦反饋電路。其中第四種反饋電路的性能能最佳。 故本設(shè)計(jì)采用可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431加線形光耦PC817A構(gòu)成反饋回路，可使電壓調(diào)整率達(dá)到177。0．2%。電路利用輸出電壓與TL431構(gòu)成的誤差比較器，通過光耦PC817A線性關(guān)系的電流變化控制TOPSwitch224Y的，從而改變PWM寬度，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。流入TOPSwitch224Y控制腳C的電流與占空比D成反比關(guān)系，如圖34所示：圖34 電流I于占空比D的關(guān)系圖為使PWM線性調(diào)節(jié)，控制腳電流應(yīng)在2~6mA之間，而是受光耦二極管電流控制的，由于PC817A是線性光耦，二極管正向電流在3mA左右時(shí)三極管的集射電流在4mA左右，而且集射電壓在很寬的范圍內(nèi)線性變化。因此一般選PC817A二極管正向電流為3mA。從TL431的技術(shù)參數(shù)可知，陰極工作電壓的允許范圍為2．5~37V，陰極工作電流在1~100