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基于TOP224YN的380V交流输入反激式辅助电源的研制

作者:黄鲁晨 黄辉 董雅茹 王鑫时间:2018-09-27来源:电子产品世界收藏
编者按:基于PWM控制芯片TOP224YN,研制了一款380 V交流输入、三路输出的反激式开关电源。考虑到芯片本身的耐压能力与较大输入电压的矛盾,本设计采取了以TOP224YN外接MOSFET的方式,成功地解决了耐压裕量不足的问题,突破了将该芯片用于大电压输入的开关电源的局限。在简要介绍控制芯片的工作原理的基础上,本文详细阐述了电源的关键电路,如EMI滤波电路、高频变压器和反馈控制回路的设计流程。经过实验测试,验证了电源设计的正确性和可行性。该电源具有输入电压大、稳压性能优良、纹波小、效率高和电磁兼容性好等优点。

作者 / 黄鲁晨1 黄辉1 董雅茹1 王鑫2 1.北京交通大学 电气工程学院(北京 100044) 2.北京市电加工研究所(北京 100191)

本文引用地址:/article/201809/392394.htm

摘要:基于PWM控制芯片,研制了一款380 V交流输入、三路输出的开关电源。考虑到芯片本身的耐压能力与较大输入电压的矛盾,本设计采取了以外接MOSFET的方式,成功地解决了不足的问题,突破了将该芯片用于大电压输入的开关电源的局限。在简要介绍控制芯片的工作原理的基础上,本文详细阐述了电源的关键电路,如EMI滤波电路、高频变压器和反馈控制回路的设计流程。经过实验测试,验证了电源设计的正确性和可行性。该电源具有输入电压大、稳压性能优良、纹波小、效率高和电磁兼容性好等优点。

1 概述

  开关电源和线性电源相比,具有效率高、体积小和稳定性高等显著优势,其应用越来越广泛。目前,市面上使用最多的AC-DC开关电源主要分为四种输入方式:一是85 V~265 V宽范围交流输入;二是100V/115V交流固定输入;三是230 V±35 V交流固定输入;四是100 V/115 V交流倍压输入方式[1]。而大多数开关电源采用220 V交流电压供电。

  本文为电火花机床电源供给系统研制了一款,根据系统要求,该电源交流输入为380V,集多路和稳压输出为一体。考虑到美国PI公司生产的TOPSwitchⅡ芯片系列具有集成度高、外围电路简单的优点,因此将其作为本设计的PWM控制芯片。但是,本芯片可承受的电压与要求的输入电压相比,裕量不够。因此,本设计通过将芯片外接MOSFET的方式解决此问题,这样既满足了输入电压值的要求,又保留了该芯片使用简便的优点。

2 主电路设计

  2.1 电源设计指标

  根据电火花机床电源供给系统中的供电需求,设计的开关电源应满足以下指标:设定电源交流输入范围为198 V~418 V,主要工作输入电压为交流380 V;输出为:+15 V/0.5 A、-15 V/0.5 A和24 V/2 A,其地均与输入侧地隔离,其中±15 V输出共地,与+24 V输出隔离;开关频率为100 kHz;总输出功率为65 W,损耗分配系数为0.5;电源效率为80%。

  2.2 系统设计方案

  本次设计的拓扑结构框图如图1所示,主要包括外围控制回路设计,EMI滤波电路、输入整流滤波电路、钳位电路、输出整流滤波电路、LM2596稳压电路、反馈控制回路等。

  2.3 TOP224YN芯片简介及外围电路设计

  TOP Switch系列芯片是美国PI公司生产的三端离线式PWM/MOSFET复合开关,因其外围电路简单,可实现电气隔离,保护功能齐全,适用于反激、正激、升降压等各种拓扑的优点而得到广泛应用[2]

  本电源的控制回路采用的是PWM控制芯片TOP224YN对主输出进行稳压,但仅使用该芯片只能适用于85V~265V交流输入的电源,无法满足系统需求的380V输入。本设计提出的解决方案是采用控制芯片外接MOSFET的方式,通过与芯片内部MOSFET的串联来增大开关管的耐压值,从而留出合适的裕量,保证开关电源稳定可靠的工作。已知芯片耐压值为700 V,外接的MOSFET耐压值为900 V,而交流输入电压经过整流滤波电路后施加在开关管上的电压大约为537 V,可见这样处理后使得整体的开关管的耐压值大于输入电压的两倍,设计合理。需要注意的是工作时要保证两个开关管的同时导通和关断。这种方法不仅突破了采用TOP224YN控制芯片设计电路的局限性,并且使设计大电压输入的开关电源变得简便,对大电压输入、集成度高的开关电源的设计具有一定的参考价值。

  TOP224YN外接MOSFET的具体电路如图2(TOP224YN与外部MOSFET串联电路模块)所示,图中d1和s1分别表示外部MOSFET的漏极和源极,d2和s2分别代表TOP芯片内部MOSFET的漏极和源极,从原理图上分析可知,当d2和s2之间导通时, s1被下拉到低电平,此时g1和d1均处于高电平,则外部MOSFET也处于导通状态;反之,当d2和s2之间关断时,电路断开,d1和s1也无法导通,输入电压被分配到两个MOSFET上,缓解了耐压压力。

  此外,其他关键电路还有EMI滤波电路、高频变压器和反馈控制回路。其参数的选择直接影响到电源的最终性能。下面将一一阐述。

3 其它关键电路设计

  3.1 EMI滤波电路设计

  考虑到电源的电磁兼容性,设计时在输入输出端均加入EMI滤波电路,一方面去除电网输入的谐波,另一方面减小输出纹波大小。电路主要包含X电容和Y电容,X电容(C3和C4)主要抑制差模干扰,根据文献[3]中滤波器参数的设置方法,本设计X电容值为10 nF;Y电容(C1和C2)主要抑制共模干扰,容值为10 nF,EMI电路所用共模电感,通常取值为5~33 mH,本设计取10 mH。

  3.2 高频变压器设计

  3.2.1 计算最大占空比

  在输入电压最小值时取到最大占空比Dmax,公式为

(1)

  其中,Vor为反射电压,取135 V;Vimin为最小输入直流电压,因为电源交流输入范围为198 V~418 V,则根据文献[4]中对应关系可得,直流电压输入范围为213V~591 V,则Vimin=213 V;Vdson是主开关导通时的漏源间压降,典型值为10 V。

  3.2.2 选择磁芯规格

  根据AP法[5]

(2)

  其中,kf为波形因数,方波时为4;k0为窗口使用系数,一般取0.3;fs为开关频率;Bw为工作磁感应强度,大多数铁氧体的饱和磁通密度Bs在0.3 T(300 mT)左右,一般取Bw=(1/3~2/3)Bs,本设计取Bw=(2/3)Bs;J为电流密度,取J=4×106 A/m;Pt为视在功率,值为146.25 W。查磁芯规格表,可选取EC35型磁芯。

  3.2.3 计算初、次级匝数

  应该按照最大输入直流电压来计算初级绕组匝数Np[7],根据电磁感应定律

(3)

  其中,Ae为磁芯有效截面积,由磁芯型号查表可得Ae=84.3 mm2。代入公式得NpAe=11525.5 匝×mm2,则Np=136.7,取值140 匝。

  次级匝数NS=[(Vout+Vd)(1-Dmax)Np]/(ViminDmax),其中Vout为各路输出电压值,Vd为输出整流二极管正向压降,典型值0.8 V。计算得次级匝数分别为:

  26 匝(+24 V输出),17 匝(±15 V输出)。

  3.2.4 计算初级电感量

  初级绕组流过的峰值电流

  3.3 反馈控制回路设计

  本设计的反馈控制回路主要包括光耦PC817、稳压管TL431和TOP224YN,工作方式是通过采样电压与TL431的基准电压进行对比,改变TL431阴极电位的大小,使得流经PC817的电流值发生变化,进而导致TOP224YN上的控制电流Ic的值发生相应改变,调节占空比,控制开关管的导通时间,实现稳压。

  确定完控制策略以后,主要是计算回路中各电阻的阻值。根据公式Vref=[R22/(R20+R22)]/Vout,其中Vref为稳压源TL431提供的参考端电压,为2.5 V;Vout=24 V为正常输出电压;取R22为7.5 kΩ,得到R20=64.5 kΩ。TOP芯片上的控制端电流Ic为4 mA,根据对应关系得到流过光耦的正向电流If=3 mA,又依据R19=(Vr18+Vf)/(Ika-If),其中Vr18为电阻R18上的压降,由于R18=1 kΩ,则Vr18= If×R18=3 V;Vf为PC817中二极管的正向压降,典型值为1.2 V;Ika为采样支路电流,取7.2 mA;R18=1 kΩ,可得R19=1 kΩ。根据功耗方面考虑,R19应小于1.2 kΩ,故满足设计条件。

4 样机测试结果及分析

  对设计的开关电源样机性能进行测试,分别测试在轻载、半载、重载和满载情况下的开关管工作波形、输出电压及纹波等。本文列出满载情况下的测试波形图。

  图3~图5给出了实测波形。由图可见当外部MOSFET栅源极电压为正时,控制芯片内部MOSFET漏源极导通;反之,内部MOSFET承受338 V电压,接近其耐压值的一半,满足使用条件,也保证了外部MOSFET的承受电压在900 V的耐压值范围之内,工作稳定。满载情况下纹波电压为294 mV,小于1.23%,满足设计要求。

  通过调试分析,该电源工作稳定,性能优良,可为电源供给系统提供稳定电压。

5 结论

  本文设计了一款基于TOP224YN的380V交流输入,+24 V,±15 V三路输出的反激式。通过详细的分析推导,选取合适的元器件,通过Saber仿真验证了参数选取的正确性。样机实测结果表明,电源各项指标均符合要求,输出稳定,性能良好,此电源已被运用在电火花机床电源供给系统中,作为系统的辅助电源使用。本设计中采用的PWM控制芯片外接单管MOSFET的方法对较大输入电压的电源的设计具有一定的指导意义。

  参考文献:

  [1]Sanjaya Maniktala著,王建强等译.精通开关电源设计[M].北京:人民邮电出版社.2015:81-235.

  [2]徐艳霞.基于TOP Switch反激式高精度开关电源的设计[J].通信电源技术,2012,29(06):33-35+38.

  [3]张维.单端反激式开关电源研究与设计[D].西安电子科技大学,2011:14-25.

  [4]胡志强,王改云,王远.多路单端反激式开关电源设计[J].现代电子技术,2013,36(14):162-165+170.

  [5]闫福军,梁永春.一种光伏发电系统中辅助电源设计[J].电力电子技术,2010,44(08):14-16.

  [6]张宇翔,王晖辉,卢景霄,郭敏.宽工作电压反激式变换器的设计[J].电力电子技术,2004(04):59-61.

  [7]陈永真,陈之勃,等.反激式开关电源设计、制作、调试[M]. 北京:机械工业出版社,2014.4:149-158.

  [8]徐纪太,黄传东,夏东伟,高斌.宽输入范围大功率双管反激辅助电源设计[J].通信电源技术,2015,32(06):117-119.

  本文来源于《电子产品世界》2018年第10期第53页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。



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