基于TOPSwitch的超寬輸進(jìn)隔離式穩(wěn)壓開關(guān)電源

1、引言開關(guān)電源(SwitchingPowerSupply)自問世以來，就以其穩(wěn)定、高效、節(jié)能等優(yōu)良性能而成為穩(wěn)壓電源的主要產(chǎn)品。而高度集成化的單片開關(guān)電源，更是因其高性價比、簡單的外圍電路、小體積與重量和無工頻變壓器隔離方式等上風(fēng)而成為穩(wěn)壓電源中的佼佼者，在工控領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。隨著各種不同的單片開關(guān)電源芯片及其電路拓?fù)涞膽?yīng)用和推廣，單片開關(guān)電源越來越體現(xiàn)出巨大的實(shí)用價值和美好遠(yuǎn)景。但是，TOPSwitch通常答應(yīng)的輸進(jìn)電壓變化范圍為120370V，本文嘗試用它制作更寬輸進(jìn)電壓變化范圍(80550V)的穩(wěn)壓電源。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)是很成功的。1、芯片結(jié)構(gòu)及穩(wěn)壓原理近十幾年來，美國電源集成公司(PI)、摩托

2、羅拉公司(Motorola)、意-法半導(dǎo)體公司(SGS-Thomson)、美國Onsemi公司等相繼推出了TOPSwitch，MC，L4970，NCP1000等不同系列的單片開關(guān)電源產(chǎn)品。由于TOPSwitch系列產(chǎn)品性能穩(wěn)定，價格實(shí)惠，故本文選擇該系列中的一種芯片為核心設(shè)計(jì)制作了一種輸進(jìn)范圍極寬的穩(wěn)壓電源。該電源輸進(jìn)直流電壓范圍為80550V，輸出直流電壓20V，輸出功率20W。TOPSwitch不論是三腳封裝，還是DIP-8或SMB-8封裝，實(shí)在質(zhì)都是三端器件，分別為控制端C(Control)、源極S(Source)、漏極D(Drain)?？刂普?zhèn)€主要作用是，根據(jù)其電流Ic來自動調(diào)節(jié)占空比

3、，當(dāng)Ic變化時，占空比就在一定范圍內(nèi)變化。源極S與芯片內(nèi)部功率MOS管源極相連，并作為低級電路的公共地。漏極D與芯片內(nèi)部功率MOS管的漏極相連。TOPSwitch主要包括控制電壓源、高壓電流源、關(guān)斷/自動重啟動電路、并聯(lián)調(diào)整器/誤差放大器、帶隙基準(zhǔn)電壓源、過熱保護(hù)及上電復(fù)位電路、過流保護(hù)電路、振蕩器、脈寬調(diào)制器、門驅(qū)動級和輸出級等10個部分。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。TOPSwitch的額定開關(guān)頻率為100kHz，答應(yīng)工作范圍90110kHz。TOPSwitch的穩(wěn)壓原理是通過反饋電流(即控制端電流)Ic來自動調(diào)節(jié)占空比，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。例如，當(dāng)輸出電壓上升時，反饋電流隨之上升，占空比呈反向變化

4、而下降，導(dǎo)致輸出電壓也隨之下降，從而保證輸出電壓的穩(wěn)定。反之亦然。2、電路圖及工作原理由TOPSwitch構(gòu)成的單片開關(guān)電源如圖2所示，是典型的單端反激式開關(guān)電源。圖2中T為三繞組高頻變壓器，工作頻率為100kHz。3個繞組分別為：Np原邊繞組(65匝);Ns副邊繞組(即輸出繞組，13匝);Nf反饋繞組(8匝);各繞組同名端在圖2中已標(biāo)出。變壓器中能量傳遞過程為：當(dāng)TOPSwitch中的功率MOSFET導(dǎo)通時，變壓器原邊繞組儲存能量;當(dāng)功率MOSFET關(guān)斷時，原邊繞組中儲存的能量傳遞給副邊繞組和反饋繞組，經(jīng)高頻整流濾波后即可提供直流輸出電壓和反饋電壓。DZ1，D1和R1，C2組成了漏極箝位電路

5、和能量吸收回路，用以限制TOPSwitch漏極因高頻變壓器的漏感而可能產(chǎn)生的尖峰電壓。DZ1選用P6KE200A型瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)，其反向擊穿電壓為200V。D1選用MUR160型超快恢復(fù)二極管，其最大反向耐壓值為600V。由于TOPSwitch的漏源極最小擊穿電壓為700V，而當(dāng)其功率MOSFET關(guān)斷時，變壓器原邊的直流輸進(jìn)電壓、原邊繞組的感應(yīng)電壓以及由變壓器的漏感而產(chǎn)生的尖峰電壓，三者疊加在一起，其值可能超過700V，故必須在TOPSwitch的漏極增加箝位電路和吸收電路，用以保護(hù)功率MOSFET不被損壞。C3為TOPSwitch控制真?zhèn)€旁路電容，其作用是對控制電路進(jìn)行補(bǔ)償，并能設(shè)

6、定自動重啟動頻率。電路中所選參數(shù)值已將自動重啟動頻率設(shè)定為1.2Hz。D2及D3為高頻輸出整流二極管，其中D2為MUR420型超快恢復(fù)二極管，其最大反向工作電壓為200V，額定整流電流為4A;D3為1N4148型玻封高速開關(guān)二極管，其最大反向工作電壓75V，均勻整流電流150mA。L1為濾波電感，其值約為20H，是由非晶合金磁性材料制成的穿心電感，俗稱“磁珠”。其作用是濾除D2在反向恢復(fù)過程中產(chǎn)生的開關(guān)噪聲。DZ2及DZ3為穩(wěn)壓管，型號為2CW346。IC2為線性光耦合器，型號為PC817A，其內(nèi)部發(fā)光二極管的導(dǎo)通壓降約為1V，正常工作電流If約為15mA，其直流電流傳輸比為80%160%。輸

7、出電壓由兩只穩(wěn)壓管電壓、PC817A中發(fā)光二極管的導(dǎo)通壓降以及電阻R4上壓降三者之和而確定，故改變R4的大小，就能改變(精確調(diào)節(jié))輸出電壓的設(shè)定值，同時也能改變控制電路的增益，即改變控制電路的放大倍數(shù)。對于不同的輸出電壓要求，只須改變穩(wěn)壓管和限流電阻R4的大小即可。如前所述，輸出電壓Vo的穩(wěn)壓過程為：Vo()VR4()If()Ic()占空比()Vo()。3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果該穩(wěn)壓電源的實(shí)驗(yàn)波形如圖3圖8所示。當(dāng)輸進(jìn)如圖3所示，為Vi=80V時，輸出電壓vo如圖4所示(均勻值Vo=19.8V)，此時TOPSwitch的漏源電壓vDS波形如圖5所示。當(dāng)輸進(jìn)電壓如圖6所示，Vi=550V時，輸出電壓vo如圖

8、7所示(均勻值Vo=20.3V)，此時TOPSwitch的漏源電壓vDS波形如圖8所示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所列。為了說明限流電阻R4對輸出的影響，現(xiàn)將不同的R4值所對應(yīng)的輸出電壓列在表2中。圖3 V(i)波形(Vi=80V，100V/格)圖4 V(o)波形(Vo=19.8V，5V/格)圖5 v(DS)波形(Vi=80V，50V/格)圖6 V(i)波形(Vi=550V，200V/格)圖7 v(o)波形(Vo=20.3V，10V/格)圖8 v(DS)波形(Vi=550V，200V/格)表1輸出電壓與輸進(jìn)電壓的關(guān)系表(R4=400，Po=20W)表2輸出電壓與電阻R4的關(guān)系表(Vi=200V，Po=20W)從表1中可以看出，該穩(wěn)壓電源固然輸進(jìn)范圍很寬，但其輸出電壓的穩(wěn)定性卻是相當(dāng)高的，這對于某些特殊的應(yīng)用場合還是很有價值的。在實(shí)際設(shè)計(jì)、使用該電源時，須留意如下事項(xiàng)：1)若輸進(jìn)為交流，則在變壓器輸進(jìn)側(cè)增加相應(yīng)的整流、濾波環(huán)節(jié)。若無濾波環(huán)節(jié)或?yàn)V波效果太差，都將導(dǎo)致電源無法正常工作;2)繞制高頻變壓器時，應(yīng)將原邊繞組繞在最里層，反饋繞組居中，副邊繞組在最外邊，各繞組應(yīng)均勻分布，同時繞組之間應(yīng)采用盡緣膠帶進(jìn)行盡緣;3)