新型單片開關(guān)電源的設(shè)計

1、新型單片開關(guān)電源的設(shè)計1引言由BuckBoost推演而得反激變換原理如圖1所示，由于電路簡單，且能高效提供直流輸出，對多路輸出特別有效，因此廣泛用于電力電子裝置的內(nèi)部電源。 圖1 反激式變換器原理在反激式變換器中，一般有兩種工作模式：完全能量轉(zhuǎn)換型（電感電流不連續(xù)）和不完全能量轉(zhuǎn)換型（電感電流連續(xù)）。這兩種工作方式的小信號傳遞函數(shù)是極不相同的，動態(tài)分析時要作不同處理。當(dāng)變換器輸入電壓在一個較大范圍內(nèi)發(fā)生變化，或負(fù)載在較大范圍內(nèi)變化時，必然跨越兩種工作方式。因此反激式變換器常要求能在完全和不完全能量轉(zhuǎn)換方式下穩(wěn)定工作。本文介紹的TDA1683x是一種電流型IC，因此當(dāng)使用于反激式變換器中時，可以

2、使能量完全轉(zhuǎn)換型的許多設(shè)計問題簡化。在不完全能量轉(zhuǎn)換型中，由于傳遞函數(shù)“右半平面零點”，在高頻段引入180相位改變，則電流方式控制不能消除固有不穩(wěn)定問題，這就要求控制環(huán)增益偏離低頻段，并要求能降低瞬態(tài)響應(yīng)速度，這些都要通過調(diào)整PID常數(shù)來實現(xiàn)。同時，能量不完全轉(zhuǎn)換型的傳遞函數(shù)帶有低輸出阻抗的兩個極點系統(tǒng)，輸出負(fù)載加大時，脈寬僅需輕微增加即可，可以使輸出的負(fù)載能力增加。在設(shè)計過程中，恰當(dāng)掌握磁性參數(shù)，可使電源工作在較大動態(tài)范圍內(nèi)。在采用不完全能量傳遞方式時，由于出現(xiàn)直流分量，需加氣隙，以便增加其動態(tài)范圍，增加其輸出功率。同時在設(shè)計時選小的B，從而可以降低損耗，提高電源的穩(wěn)定性。一般設(shè)變壓器傳遞功

3、率可用下式表示：式中：Ve表示磁體體積，Lp表示氣隙長度，Ip1、Ip2為導(dǎo)通周期始、末的瞬時電流值。顯然氣隙的存在提高了傳遞的功率（圖2陰影部分）。 （a）當(dāng)磁心氣隙很小時，反激變換器中變壓器的磁化曲線及傳遞能量 (b)當(dāng)磁心氣隙很大時，反激變換器中變壓器的磁化曲線及傳遞能量 圖2值得注意的是，增加氣隙對由于負(fù)載引起的磁飽和有明顯的抑制作用，但對于因輸入電壓過高或開關(guān)頻率過低引起的磁飽和是無用的?？傊饧拥姆胫?、匝數(shù)和磁心面積決定了B軸上的Bac、直流電流的平均值、匝數(shù)和磁路長度決定了H軸上Hac值的位置。為了防止磁飽和，必須有足夠的線圈數(shù)和磁心面積來平衡外加的伏秒值，必須有足夠的氣隙來

4、平衡直流分量。這在變壓器設(shè)計中是非常重要的。在實際設(shè)計中，是通過改變初級電感和調(diào)整氣隙大小來選擇能量傳遞方式的。經(jīng)驗證明，一個合適的氣隙可以使電流瞬時值、效率、噪音都比較合適。氣隙的確定，除計算外，還需實際調(diào)整，使上面指標(biāo)達(dá)到最佳。2工作原理西門子公司最新推出的TDA1683x系列電流型單片開關(guān)電源，具有體積小、外圍電路簡單、溫度范圍寬的特點，很適用于逆變電源、變頻器等電力電子設(shè)備的工作電源。這種電流型控制器件工作原理如圖3所示。流經(jīng)MOS管電流的大小和一個給定電壓值進行比較，其輸出確定了MOS管的導(dǎo)通時間；其中輸出電壓與給定電壓相關(guān)。為了簡化外部電路，MOS管的電流檢測電阻直接集成在IC內(nèi)部

5、。同時，確定單片電源頻率的振蕩電阻和電容，也集成于IC內(nèi)。為了盡量降低溫度對芯片工作的影響，采取了專門的溫度補償措施，并盡量降低電阻的誤差。下面，以TDA16833為例分析其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的功能。 圖3 TDA168319系列電流型單片開關(guān)電源工作原理（1）起動電路（UVLO）：該部分接于外部Vcc端。當(dāng)Vcc電壓高于固定的開通門限電壓時，UVLO工作，bias電路和軟起動電路閉合。一旦Vcc電壓低于關(guān)閉門限電壓時，則電路關(guān)閉。此時電路的電流消耗被限制到最小。（2）電流源（bias）：該電路給內(nèi)部提供一個恒定的電流，用以限流和定時、軟起動等。（3）軟起動（Softstart）：此功能只限于TDA16

6、836/7。當(dāng)芯片起振后，在軟起動電容電壓上升過程中，MOS管的導(dǎo)通時間逐步增加，避免了MOS管導(dǎo)通時間瞬時增至最大值帶來的不良影響，例如防止功率變壓器電流飽和，限制輸出濾波電容形成的浪涌電流以及輸出的瞬時過沖電壓等。特別是芯片的供電是由功率變壓器輔助繞組提供時，輸出的過沖電壓造成的影響會很大。這時，當(dāng)輸出功率較大時，變壓器產(chǎn)生的過沖電壓往往會超過Vcc的最高允許值。（4）振蕩器(osc)：該部分有一個分頻觸發(fā)器，該觸發(fā)器可以將振蕩頻率降至一半，形成開關(guān)頻率。同時，它能使最大占空比Dmax=0.5。必要時，可利用輔助電路，使Dmax=0.75。（5）誤差放大器(pwmop)：放大進入的MOS電

7、流信號，并將其轉(zhuǎn)換成電壓。一般情況下，當(dāng)對MOS管進行斬波操作時，會在電流信號前形成一個尖峰脈沖，從而使比較結(jié)果失效，這點在輕負(fù)載時尤為顯著。該放大器提供了前沿消隱功能，實際電流信號經(jīng)過外部偏置而限制了這種現(xiàn)象。（6）比較器(comparator)：該比較器把被放大了的MOS管電流信號pwmrmp和由Vout來的參考信號進pwmin行比較。當(dāng)電流信號大于參考信號時，MOS管關(guān)閉。圖中還有一個輔助比較器，設(shè)置了非常低的門限電壓，用來實現(xiàn)0占空比。（7）邏輯控制(logpwm)：該電路由一個RS觸發(fā)器和一個與非門組成。該部分控制著MOS管的導(dǎo)通與關(guān)斷。使MOS管導(dǎo)通的條件是使下面諸條件全部成立：軟

8、起動開始、pwmin信號超過最低門限、pwmin信號高于pwmrmp、過電流關(guān)閉無效、過熱關(guān)閉無效，以及tff電路輸出起動脈沖。使MOS管關(guān)斷的條件是使下面任一條件成立：pwmrmp超過pwmin、或者占空比超過0.5，或者pwmcs超過Imax、或者硅片的溫度超過Tmax，或者UVLO低于最低門限。RS觸發(fā)器的作用是，確保在每一個周期內(nèi)只進行一次開通操作。3專用驅(qū)動電源的設(shè)計西門子的TDA1683x系列單片開關(guān)電源憑借其獨到的性能，可應(yīng)用于可靠性要求較高的電力電子驅(qū)動系統(tǒng)。下面針對IPM模塊（CTMseries）電源的設(shè)計簡介如下。31電路原理電路原理如圖4所示。適用于3kW以下三相變頻器供電的要求。由于外圍元件少，電路簡單，可靠性很高。TDA16832本身無須散熱器。 圖4變頻空調(diào)開關(guān)電源電路原理圖32硬件設(shè)計與調(diào)試（1）逆變變壓器：采用TOKIN專用于逆變器電源的IVT28P變壓器，排列次序如圖4中所示。該變壓器由于結(jié)構(gòu)的特殊性，保障了各繞組間可承受AC1500V（1min）的耐壓試驗。（2）輸出波形（見圖5）：圖中（a）為輸入電壓AC220V，負(fù)載為3RL注時的波形；圖（b）為輸入電壓AC240V，負(fù)載為RL時的波形。在如上兩種情況下，電源均未工作在連續(xù)電流模式。 (