单片开关电源与高压电源

andybeck

单片开关电源与高压电源 [复制链接]

随着现代科技的高速发展，功率器件的不断完善、更新、PWM技术的发展日趋完善，开关电源正朝着短、小、轻、薄的方向发展。单片开关电源集成电路自1984年问世以来，现在已成为具有发展和影响力的一项新产品。以TOPSwitch系列为代表的开关电源集成芯片，在只有三个引脚的单片IC中综合了控制系统驱动电路、功率管MOSFET、脉宽调制器、高压启动电路、环路补偿电路、故障保护电路等。在其内部集成了100kHz脉宽调制稳压电源所需的全部功能，并且增设了高压偏置电流源、偏置分流调节器、误差电压放大器、振荡器、带隙基准电压源。
一般情况下，TOP开关器件的漏极D和变压器初级的一端相接。由于漏感引起的反峰电压反射到变压器的初级，将直接加在漏极上，而反峰电压与输出电压有关，即输出电压越高，反峰电压也越高，这对于漏极与源极之间耐压只有几百伏的TOPSwitch器件来说，过高的电压将很容易使其击穿。因此，采用TOPSwitch系列器件制作的开关电源，大多数采用低压小功率输出。本文通过改进电路，实现了TOPSwitch器件在高压开关电源中的应用。
一、TOPSwitch系列单片集成开关电源
开关电源自20世纪70年代开始应用以来，涌现出许多功能完备的集成控制电路，使开关电源电路日益简化，工作频率不断提高，效率也大大提高，并为开关电源小型化提供了广阔的前景。三端离线式脉宽调制单片开关集成电路TOP(Three Terminal Off Line)将PWM控制器与功率开关MOSFET合二为一封装在一起，已成为开关电源IC发展的主流。采用TOP开关集成电路设计开关电源，可使电路大为简化，体积进一步缩小，成本也明显降低。开关电源具有单片集成化、最简约外围电路、最佳性能指标、能构成无工频变压器开关电源等显著优点。美国动力(POWER)公司在世界上率先研制成功的三端离线式脉宽调制单片开关集成电路被誉为“顶级开关电源”。其第一代产品以1994年推出的TOP100/200系列为代表，后相继推出TOPSwitch II，TOPSwitch-FX，TOPSwitch-GX，TinySwitch，TinySwitch II，LinkSwitch，LinkSwitch-TN，DPA-Switch等系列产品。各系列产品虽然有着单片开关电源共同的优点，但各自又有着自身所独有的特点。
TOPSwitch-II系列外接元器件最少，设计最为方便，同TOPSwitch系列器件相比，其内部电路进行了许多改进，器件对电路板布局以及输入总线瞬变的敏感性大大减少，故设计更为方便，性能又有了增强，性能价格比更高。其功率又由TOPSwitch系列的0－100W提高到0～150W。在低压中小功率的实际应用中，TOPSwitch-II系列的使用最为广泛。
该系列产品内部结构如图1。其基本工作原理是利用反馈电流Ic来调节占空比D，达到稳压的目的。当输出电压Uo上升时，经过光耦反馈电路使得IC↑，D↓，Uo↓，最终使Uo保持稳定。该芯片用于PWM控制方式，开关频率为100k。
二、TOPSwitch-II工作原理
TOPSwitch-II系列单片机电源集成电路，可广泛应用于各种通用及专用开关电源、待机电源、开关电源模块中。它将PWM控制系统的全部功能集成到三端芯片中。内含脉宽调制器、功率开关场效应管(MOSFET)、自动偏置电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路。通过高频变压器使输出端与电网完全隔离，真正实现了无功频变压器、隔离式开关电源的单片集成化，使用安全可靠。由于制造工艺采用BCD技术，使器件的功耗显著降低。TOPSwitch-II不需要外接大功率的过流检测电阻，外部也不必提供启动时的偏置电流。它属于漏级开路输出并且利用电流来线性调节占空比的AV/DC电源变换器，即电流控制型开关电源。
脉宽调制式开关电源的基本原理如图一所示。交流220V输入电压经过整流滤波后变直流电压V1，再由功率开关管VT(或MOSFET)斩波、高频变压器T降压，得到高频矩形波电压，最后通过输出整流滤波器VD、C2，获得所需要的直流输出电压Vo.脉宽调制器是这类开关电源的核心，它能产生频率固定而脉冲宽度可调的驱动信号，控制功率开关管的通断状态，来调节输出电压的高低，达到稳压目的。锯齿波发生器提供时钟信号。利用误差放大器和PWM比较器构成闭环调节系统。假如由于某种原因致使Vo下降，脉宽调制器就改变驱动信号的脉冲宽度，亦即改变占空比D，使斩波后的平均值电压升高，导致Vo上升。反之亦然。
三、TOPSwitch-Ⅱ的应用
依据TOPSwitch电路的特性，我们实现了一路高压与一路低压的双路输出电源。对于高压输出，我们采用了二次升压和6倍压整流的方法来获得其中的一路直流高压输出：2500V、40mA，由于本文对TOPSwitch的高压应用作为探讨，该路输出电压精度为不作要求；另外一路低压输出为6V/1A，精度优于1％。由于高压部分精度要求不高，因此可以作为直接输出，但是低压部分精度要求较高，因此在该路电压输出端，通过取样电阻对输出电压进行采样，输入TL431。TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源，它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref(2.5V)到36V范围内的任何值。取样电压通过光耦隔离后送入TOPSwitch的控制端。光耦供电电压可以利用变压器次级输出电压供电。
由于Flyback变换器由于电路简洁，所用元器件少，适合于多输出场合使用。我们采用基于TOPSwitch-II的Flyback变换器来实现。通过一个变压器的多副边绕组得到所需要的双路输出电压。另外，两路输出电压处在不同电位上，他们之间的电压差很大，因此变压器的隔离度要求很高，这也是该电源的一个实现难点。
1、TOPSwitch芯片的选择
本电源的输入电压为270VDC，在该系列所要求的电压范围内。对芯片的选择主要是考虑功率的需要。计算输出功率Po约为110W，考虑一定的裕度，我们选择型号为TOP226Y的芯片。具体实现电路图如下所示：
2、反馈电路设计
反馈回路的形式依据输出电压精度而决定，本方案中的“光耦＋TL431”可以把输出电压精度控制在±1％。电压反馈信号经分压网络引导入TL431的Ref端，转化为电流反馈信号，经过光耦隔离后输入TOPSwitch的控制端。
光耦工作在线性状态，起隔离作用。如果所选光耦的电流放大率上限超过200％，容易造成TOPSwitch过压保护。相反，若其下限小于40％，占空此D将不能随反馈电流的增加而减小，从而导致过流。因此应选择电流放大率范围接近100％ 的光耦。
3、变压器设计
变压器的设计是本电路设计中最主要的部分，变压器T1的设计可按照如下步骤进行：
①磁心选择可以通过广泛使用的AP法来选择。先根据公式计算出AP值，然后在现有的磁心型号中选择一组与其相近的磁心。
实际上，该方法计算非常复杂，而且有许多参数要靠查表或根据经验得到。所以实际中一般是根据经验，由输出功率的大小来选择磁芯的大小。设计完成后再调整。对于本例，虽然输出功率不大，但是两路输出电压相差很大，需要进行良好的绝缘和隔离措施，因此在选择磁芯时应选择窗口面积稍大的磁芯。我们选择TDK公司型号为EPC-25型磁芯。该磁芯的主要参数为：有效截面积：Ae=46.4 ，饱和磁通密度选择0.35T。
②初级峰值电流

取Pout=110W，Vin=270V，D=0.5代入得到Ip=1.63A。
③初级电感

将Vin=270V，D=0.5，Ip=1.63A，f=100k代入Lp=0.83mH。
④初级匝数

上式中，Vinmin=270V，D=0.5，Ae=0.0000464 ，工作磁通密度B取0.3T，f=100k，代入得Np=96.98，取Np=97。
⑤次级绕组

对于高压输出部分，取Vo1=60V，Vinmin=270V，D=0.5，Np=97计算的Ns1=21.56，可取Ns1=22。对于低压输出部分，考虑到二极管的压降，取Vo=7V，可知Ns2=2.51，可取Ns2=3。
⑥气隙长度

其中 ，结合上面的已知量可知lg=0.06mm。实际上，要精确的磨出这么小的气隙是很难做到的。比较实用的方法就是一边手工磨制，一边测量，直到电感值满足要求。
⑦线圈的选择
由于变压器各绕组之间的绝缘强度要求很高，因此我们选择三层绝缘线代替传统的漆包线做绕组。该线外壁厚0.1mm却能耐压7000V以上。中间基本可以省掉绝缘胶带。对于输入和高压部分绕组，由于电流较小，我们选择内径0.16mm的单根线即可。对于低压部分，由于电流较大，我们用5根该规格的线相并联绕制。三层绝缘线不但可以增强变压器的隔离度，而且省掉了各绕组间的隔离用的绝缘带，节省了体积。
对于升压变压器T2的设计，可以参照上面T1的设计得出如下参数：
Np’=22，Ns’=152，lg=1.25mm。
4、TOPSwitch使用注意事项
应用中，TOP开关的源脚引线应非常短，旁路电容要尽可能靠近源脚和控制脚，同时源脚应单点接地。
开关关断时，为了减小漏极峰值电压和漏极冲击激励振荡电压，漏感较大的高频变压器初级必须加入阻尼电阻或箱位电路。
测试时，TOP开关器件不能直接插入加有高电压的集成电路插座内。在印刷电路板上，控制脚外接电容器能够把较大的浪涌电流传输到触发器和关断锁存器，从而关断TOP开关。
开关电源轻载或空载时，输出MOSFET导通时间很短，为了使输出电压保持在设计范围内，该开关电源必须外加一个很小的负载。
四、试验结果及波形
本设计两路输出的高压和低压均满足指标要求。其实验波形如图所示。左图为TOPSwitch226Y两端波形，左图为TOP226Y两端波形，右图为变压器T1原边两端波形。
五、结论
TOPSwitch-II作为一种集成芯片，大大简化了开关电源设计流程，其不仅能用于低压电源，也可以用于高压电源。