1引言
随着pWM技术的不断发展和完善,开关电源得到了广泛的应用,以往开关电源的设计通常采用控制电路与功率管相分离的拓扑结构,但这种方法存在成本高、系统可靠性低等问题.美国功率集成公司pOWERIntegrationInc开发的TOpSwitch系列新型智能高频开关电源集成芯片解决了这些问题,该系列芯片将自启动电路、功率开关管、pWM控制电路及保护电路等集成在一起,从而提高了电源的效率,简化了开关电源的设计和新产品的开发,使开关电源发展到一个新的时代.文中介绍了一种用TOpSwitch的第三代产品TOp249Y开发变频器用多路输出开关电源的设计方法.
2TOp249Y引脚功能和内部结构
2.1TOp249Y的管脚功能
TOp249Y采用TO-220-7C封装形式,其外形如图1所示.它有六个管脚,依次为控制端C、线路检测端L、极限电源设定端X、源极S、开关频率选择端F和漏极D.各管脚的具体功能如下:
控制端C:误差放大电路和反馈电流的输入端.在正常工作时,利用控制电流IC的大小可调节占空比,并可由内部并联调整器供应内部偏流.系统关闭时,利用该端可激发输入电流,同时该端也是旁路、自动重启和补偿电容的连接点.
线路检测端L:输入电压的欠压与过压检测端,同时具有远程遥控功能.TOp249Y的欠压电流IUV为50μA,过压电流Iav为225μA.若L端与输入端接入的电阻R1为1MΩ,则欠压保护值为50VDC,过压保护值为225VDC.
极限电流设定端X:外部电流设定调整端.若在X端与源极之间接入不同的电阻,则开关电流可限定在不同的数值,随着接入电阻阻值的增大,开关允许流过的电流将变小.
源极S:连接内部MOSFET的源极,是初级电路的公共点和电源回流基准点.
开关频率选择端F:当F端接到源极时,其开关频率为132kHz,而当F端接到控制端时,其开关频率变为原频率的一半,即66kHz.
漏极D:连接内部MOSFET的漏极,在启动时可通过内部高压开关电流供应内部偏置电流.
2.2TOp249Y的内部结构
TOp249Y的内部工作原理框图如图2所示,该电路重要由控制电压源、带隙基准电压源、振荡器、并联调整器/误差放大器、脉宽调制器(pWM)、门驱动级和输出级、过流保护电路、过热保护电路、关断/自动重起动电路及高压电流源等部分组成.
3基于TOp249Y的开关电源设计
笔者利用TOp249Y设计了一种新型多路输出开关电源,其三路输出分别为5V/10A、12.5V/4A、7V/10A,电路原理如图3所示.该电源设计的要求为:输入电压范围为交流110V～240V,输出总功率为180W.由此可见,选择TOp249Y能够满足要求.
3.1外围控制电路设计
该电路将X与S端短接可将TOp249Y的极限电流设置为内部最大值;而将F端与S端短接可将TOp249Y设为全频工作方式,开关频率为132kHz.
在线路检测端L与直流输入Ui端连接一2MΩ的电阻R1可进行线路检测,由于TOp249Y的欠压电流IUV为50μA,过压电流Iav为225μA,因此其欠压保护工作电压为100V,过压保护工作电压为450V,即TOp249Y在本电路中的直流电压范围为100～450V,一旦超出了该电压范围,TOp249Y将自动关闭.
3.2稳压反馈电路设计
反馈回路的形式由输出电压的精度决定,本电源采用“光耦+TL431”,它可以将输出电压变化控制在±1%以内,反馈电压由5V/12A输出端取样.电压反馈信号U0通过电阻分压器R9、R11获得取样电压后,将与TL431中的2.5V基准电压进行比较并输出误差电压,然后通过光耦改变TOp249Y的控制端电流IC,再通过改变占空比来调节输出电压U0使其保持不变.光耦的另一用途是对冷地和热地进行隔离.反馈绕组的输出电压经D2、C2整流滤波后,可给光耦中的接收管供应电压.R4、C4构成的尖峰电压经滤波后可使偏置电压即使在负载较重时,也能保持稳定,调节电阻R6可改变输出电压的大小.
3.3高频变压器设计
由于该电源的输出功率较大,因此高频变压器的漏感应尽量小,一般应选用能够满足132kHz开关频率的锰锌铁氧体,为便于绕制,磁芯形状可选用EI或EE型,变压器的初、次级绕组应相间绕制.
高频变压器的设计由于要考虑大量的相互关联变量,因此计算较为复杂,为减轻设计者的工作量,美国功率公司为TOpSwitch开关电源的高频变压器设计制作了一套EXCEL电子表格,设计者可以方便地应用电子表格设计高频变压器.
3.4次级输出电路设计
输出整流滤波电路由整流二极管和滤波电容构成.整流二极管选用肖特基二极管可降低损耗并消除输出电压的纹波,但肖特基二极管应加上功率较大的散热器;电容器一般应选择低ESR等效串联阻抗的电容.为提高输出电压的滤波效果,滤除开关所出现的噪声,在整流滤波环节的后面通常应再加一级LCC滤波环节.
3.5保护电路设计
本电源除了电源控制电路TOp249Y本身所具备的欠压、过压、过热、过流等保护措施外,其外围控制电路也应有一定的保护措施.用D3、R12、Q1可构成一个5.5V的过压检测保护电路.这样,当5V输出电压超过5.5V时,D3击穿使Q1导通,从而使光耦电流增大,进而增大了控制电路TOp249Y的控制端电流IC,最后通过内部调节即可使输出电压下降到安全值.
为防止在开关周期内,TOp249Y关断时漏感出现的尖峰电压使TOp249Y损坏,电路中设计了由箝压齐纳管VR1、阻断二极管D1、电容C5、电阻R2、R3组成的缓冲保护网络.该网络在正常工作时,VR1上的损耗很小,漏磁能量重要由R2和R3承担;而在启动或过载时,VR1即会限制内部MOSFET的漏极电压,以使其总是处于700V以下.
根据以上设计方法,笔者对采用TOp249Y设计的多路输出开关电源的性能进行了测试.实测结果表明,该电源工作在满载状态时,电源工作的最大占空比约为0.4,电源的效率约为90%,纹波电压控制、电压调节精度及电源工作效率都超过了以往采用控制电路与功率开关管相分立的拓扑结构形式的开关电源.
5结论
由于TOp249Y芯片内部集成有pWM控制器、功率开关MOSFET以及多种保护电路,所以采用该芯片设计出的开关电源具有成本低、外围线路简单、体积小、效率及可靠性高等特点,因而在中功率电子设备中具有广泛的应用前景.本文设计的开关电源已应用于某变频器的控制电路中,且取得了较好的应用效果.
