單端反激式雙輸出開關電源設計

1、單端反激式雙輸出開關電源設計第 33 卷第 2 期2010年 4 月 遼寧科技大學JournalofUniversityofScienceandTechnologyLiaoningV01.33No.2Apr.,2010 單端反激式雙輸出開關電源設計 王琳,刁嫣妲 ,李榮震,孟艷萍 .,朱連成 (1.鞍山供電公司高新技術開發(fā)區(qū)供電分公司 , 遼寧鞍山 114051;2.鞍山供電公司電 能計量所 ,遼寧鞍山 114002:3.鞍山供電公司設計院 ,遼寧鞍山 114002;4.遼寧科技大學電子與信息工程學院 ,遼 寧鞍山 114051)摘要:介紹了一種基于 TOP246 的單端反激式雙輸出開關電源設

2、計 ,結合自制的脈 沖變壓器 .用于交流 85 265V 的寬電壓輸入 ,實現直流 24v/2A 高精度,直流 l2v/1A 雙輸出.實驗證明 ,設計 在實際電路中表現出良好的電氣特性 ,可以為相關設計提供較好的參考和借鑒 . 關鍵詞:開關電源;反激式變換器 ;反饋回路 ;脈沖變壓器 ;寬電壓 中圖分類號 :TM44 文獻標識碼 :A 文章編號 :1674 1048(2010)020t4104 開關電源是現代化機電產品中常用的供電裝置 ,可以不受各個國家交流電網的限 制,廣泛應用在相關的設備中 ,其效能高低直接關系到機電設備的性能 .開關電源設計主要包含電路 設計和磁路設計 .本文針對反激式隔

3、離變換器口 ,給出基于 TOP 管的開關電源設計方案 ,并具體設 計出一個可用于交流85-265V 寬電壓輸入和直流 24V/2A, 直流 12V/1A 雙輸出的單端反激式開關電源 . 設計采用相位補償技術 ,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性 ,增加抗干擾能力 .通過實驗驗證了設計的正確性和可 行性.1電路設計1.1 基本原理反激式隔離變換器是中小功率開關電源最為常用的變換器之一,其典型拓撲結構如圖 l 所示 .其 中,+V 為整流后的輸入電壓 ;T 為脈沖變 壓器 ,設計中還應有回路控制的偏置繞組 ;D 為輸出回路的快恢復肖特基整流二極管 ;R 和 C. 為其阻容吸收電路 ; 輸出電路還包括由 電感 L.和兩

4、個電容 C.組成的一個 7c 型低通 濾波電路 ;變壓器初級有尺 ,C 和 D 組成的 RCD 漏感尖峰吸收電路 ;Q 為控制脈沖變壓 器一次繞組導通和截止的反激式變換器所需 的開關功率 MoS 管;N 為初級繞組匝數 ,N 為次級繞組匝數 ;設計中變壓器一次側與二次 圖 t 反激式變換器拓撲結構Fig.1Topologicalstructureofflybackconverter 側的地信號采用安規(guī)電容隔離 ;?表示同名端 . 在反激式變換器中 ,功率開關管將輸入的直流電壓轉變成一些列的方波信號施加 于脈沖變壓器初級繞組上 ,通過脈沖變壓器的電磁能量轉換與傳遞 ,經過整流二極管 ,濾波電路處

5、 理后,給負載 R 提供 所需要的優(yōu)質電壓和功率 .1.2TOP管輔助電路 采用內部集成功率 MOS 管的 TOP246 作為開關控制器件 ,額定負載功率為 90w, 再加以外圍電收稿日期 :20091220.作者簡介 :王琳(1978 一),男,遼寧鞍山人 ,工程師 ,主要從事電網調度及電源優(yōu)化的 研究工作 .?142?遼寧科技大學第 33 卷路,可以實現過壓 ,欠壓,過流,過熱等保護功能 .實際使用的 TOP管電路連接,如圖 2 所示.圖2中,C與R,C2:組成低通濾波和穩(wěn)壓電路 ,可以有效濾除 TOP246管腳 1受到的 干擾信號 .R.接于交流電壓整流后輸出的直流電壓 ,作為系統(tǒng)電壓檢

6、測 ,當系統(tǒng)出現過電壓或 欠電壓時 ,TOP246管將自動封鎖脈沖輸出 ,禁止脈沖變壓器工作 .u.引腳用來作為變壓器的偏置繞組 輸入端 ,與內部集成的 MOS 管管腳 6 配合,反向控制 PWM 輸出占空比 ,即管腳 1 流入的電流越大 , 管腳 6 輸出的 PWM占空比越小 ;反之,則越大.U 接變壓器的初級繞組同名端 .ITOP246圖 2TOP246 管腳電路連接Fig.2TOP246pinsconnection1.3 反饋回路圖 3 改進型輸出反饋電路Fig.3Improvedoutputfeedbackcircuit 采用具有精密電壓基準的三端可編程并聯穩(wěn)壓二極管 TL431A 和

7、線性光耦 PCS17B構成系統(tǒng)的反饋控制回路 ,利用偏置繞組 ,控制 TOP 管的占空比 ,實現反激式變換器輸出電壓的 精準控制 .TL431A檢測輸出的電壓 (+24V)越大,經過線性光耦 PC817B變換,流人 TOP管腳 1的電流 越大,TOP管控制內部 MOS 管導通和關斷的占空比與輸入 1 腳的電流成反比 ,使輸出電壓降低 ,維 持了輸出電壓的穩(wěn) 定 ;反之亦然 .為了提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性 ,設計采用相位補償技術 2j. 如圖 3 所示 ,增加 C 與 R 后, 提高了系統(tǒng)的相角裕度和幅值裕度 .改進后系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性如圖 4 所示 .系統(tǒng)的穿越 頻率約為 2.58kHz,相角余

8、量約為 48.3.,系統(tǒng)穩(wěn)定 .3l_4:禧蓑_頻率, Hz圖 4 改進后的幅頻和相頻特性Fig.4Improvedamplitude-frequencyandphase-frequencycharacteristic1.4 脈沖變壓器箝位吸收保護電路如圖 5中虛線框所示 ,采用 z十RCD帶浪涌保護的漏感尖峰吸收電路 ,將MOS管 的電壓箝位在175V 以內 ,防止電壓過高擊穿 MOS 管 .1.5 輸出濾波電路為了確保系統(tǒng)輸出電壓紋波較小 ,設計采取了相應濾波去噪技術 .采用 LC 構成低通濾波器濾除 定的高頻干擾 ,濾波電容可按 1000/,F/A 經驗值選擇容量 .同時 ,輸出采用效抑

9、制共 模和差模干擾的電感還可以避免系統(tǒng)對其他電路和電氣設備的干擾 .實驗調試后的 EMI 良好 . 脈沖變壓器初級箝位與輸出濾波電路 ,如圖 5 所示 .第 2 期王琳 ,等 : 單端反激式雙輸出開關電源設計lICtll5KE20CA 門 l51I7豐cIPKMUR2lOOECRr,RTN7./圖 5 脈沖變壓器初級箝位與輸出濾波電路 Fig.5Primaryclampingandoutputfiltercircuitofpulsetransformer2磁路設計磁路部分包括高頻脈沖變壓器和各濾波電感等 .其中 ,脈沖變壓器是現代開關電源 的核心元件 ,實際應用中主要起到能量傳遞 ,電壓變換和

10、電氣隔離的作用 .脈沖變壓器的性能好壞 不僅影響變壓器自身的發(fā)熱和效率 ,而且還會影響到開關電源的技術性能指標及其可靠性 .在脈沖變 壓器的設計和制作過程中,磁芯材料 ,磁芯和線圈結構 ,繞制工藝等必須全面考慮 l3j.2.1 脈沖變壓器參數根據面積乘積法 ,按最大值選擇 ,設計中脈沖變壓器采用 EFD30 扁平型磁芯骨架 . 為提高繞組的利用率 ,采用多根漆包線并繞技術 ,既可以提高繞組載流量 ,也能有效減少集膚效 應影響 _4.脈沖變壓器原繞組采用直徑為 0.35mm的 2股漆包線并繞匝數 14圈;輸出為直流 24V的次 級繞組采用直徑為0.45mm的4股漆包線并繞匝數 3圈;輸出直流 1

11、2V的副繞組直徑為 0.35ITIITI 的 3 股漆包線并繞匝數 3 圈,偏置繞組為直徑 0.35ITIITI 的單股漆包線繞 4 圈 . 經過驗證 ,變壓器參數滿足要求 ,設計合理 .2.2 系統(tǒng)輸入的 EMI 濾波電感和整流電路系統(tǒng)輸入 EMI 濾波電感采用 UF10.5 骨架,設計電感量為 6.1mH_5.系統(tǒng)交流電源 輸入與濾波 ,整流電路 ,如圖 6 所示.圖 6 系統(tǒng)交流電源輸入和整流電路 Fig.6Alternatingcurrentinputofsystemandrectifiercircuit 圖6中,AC-L 和AC-N 為輸入的交流電壓 ,范圍為 85-265V;PE接

12、電源外殼,作為保 護接地線 ;R 為負溫度系數熱敏電阻 ,尺 ,為壓敏電阻 ;C,C 為 X 系列安規(guī)電容 ;C 為 Y 系列的 安規(guī)電容 ;BR?144?遼寧科技大學第 33 卷為整流橋 ;C.為變壓器直流電壓輸入的高頻低阻電容 .3 實驗結果系統(tǒng)滿載連續(xù)工作 8h 后,功率芯片溫度為 51,符合溫升要求 .部分電壓波形 ,如圖 7 所示 .圖7中,脈沖變壓器二次側輸出的 24V 電壓波形 ,最大值為 28V,最小值為一 60V;經過 輸出整流二極管及其阻容吸收后的波形 ,最大值 25.2V,最小值 22.6V,阻容電路吸收效果較好 ;經過 輸出低通濾波電路后的波形 ,最大值為 24.0V,

13、最小值為 23.4V,平均值為 23.7V,精度為 1.25%;系統(tǒng) 輸出的 12V電壓波形 ,最大值為 11.9V,最小值 11.9V.2萎2出6時 j,t/s2>1通波的 12V f: 的 I2 電波 一一 .一一一時問,t/s圖 7 部分買驗結果波形Fig.7Waveformsofsomeexperimentresults4 結語介紹的基于 TOP 管的寬范圍交流電壓輸入 ,高精度直流電壓輸出的單端反激式隔 離變換器雙輸出開關電源方案 ,通過滿載和交流 1.5kV 耐壓試驗 ,結果證實 ,設計符合要求 ,電氣性 能可靠 ,可以為同類電路設計提供一定的參考和借鑒 .參考文獻 :1 張

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