应用于交流伺服系统多路输出开关电源设计

1.引言

与直流电机相比，交流电机不要换向器和电刷，其结构更加简单。调速范围宽、稳态精度高、动态响应快、转子惯量小、输出功率大等诸多优点，使得交流电机在工业生产中得到较广泛地应用[1]。对伺服系统供电的电源性能的优劣，直接关系到整个系统的安全性和稳定性[2]。开关电源与低效率的线性电源相比，因为其效率高、体积小、重量轻而受到广泛地关注[3]。美国pI公司生产的开关电源专用集成芯片TOpSwitch-II，是一种将pWM和MOSFET合二为一的新型芯片，此系列芯片以其体积小、重量轻、价格低等优势，一经推出便得到广泛的应用，展示了良好的应用前景。

2.TOpSwitch-II工作原理

TOpSwitch-II芯片，将脉宽调制(pWM)控制系统的全部功能集成在一起，结构简单，只有三个引出端，分别为控制端C、源极S和漏极D[4]。内含脉宽调制器、功率开关场效应管、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,真正实现无工频变压器、隔离式开关电源单片集成化,使用安全可靠。TOpSwitch-II是电流控制型开关电源，控制端供应偏压Uc，对电流Ic的大小进行控制，就能持续调节脉冲占空比，实现脉宽调制。占空比D与控制端电流Ic呈线性关系(图1)。

由图1可知，在Ic=2.0~6.0mA范围内，当Ic↑时D↓，Ic↓时D↑。ICD1是并在C-S极旁路电容的放电电流，为1.2mA或1.4mA;IB是外部偏置电流，

3.多路开关电源设计原理

TMS320F2812是控制板中的最重要的器件一。它每秒可执行1.5亿次指令，具备卓越的数据处理能力。对该芯片供电的优劣，直接影响控制板工作的可靠性。由于芯片的供电电压是3.3V，考虑到控制的要，总共要两路+5V供电，分别是模拟5V和数字5V。另外，控制板还有±15V供电的芯片。IpM模块是交流伺服系统最重要的器件之一。它一般使用IGBT作为功率开关元件，内藏电流传感器及驱动电路的集成结构，尤其适合于驱动电机的变频器和各种逆变电源。本系统所使用的IpM，总共要4路电气隔离的+15V电源。综上所述，伺服系统要+15V、-15V和+5V三种电压等级供电,故要设计一个能够供应上述电压等级的辅助电源。电源设计参数如下：

①输入电压：VAC;

②输出电压：U2~U9;

③最小功率：pomin;

④最大功率：pomax;

⑤转换效率：η;

⑥开关频率：fs;

⑦最大占空比：Dmax。

根据如上设计技术指标，要从如下几个部分进行。

3.1输入整流滤波电路

输入整流滤波电路采用Π型滤波(图2)：其中C17、C18为差模电容，抑制差模干扰;C19、C20为共模电容，抑制共模干扰;滤波电感L1采用双线并绕。采用不可控的整流桥，整流器件的额定电流有效值ID，必须满足在低电压输入时最大平均电流值，

则：

1D2(ACmin)omaxIVpFp(1)式中，VACmin为交流输入电压最小值;pF为功率因数，一般取0.5。反向阻断电压VR，按高电压输入进行计算：maxR1.252ACVV(2)图2中，输入滤波电容C21的容值，可以按照比例系数1~3μF/W与输出最大功率pomax的乘积进行取值。

3.2变压器

单端反激式开关电源中的变压器，在开关管开通时，储存能量，阻断时释放能量而对负载供电[5]。关于多路输出，假如要求每路输出电压均具有高精度，则每路均要有闭环的稳压回路。关于本设计的多路输出，U3输出这一路精度要求较高，对这一路输出需加闭环控制，其它几路要求相对不高，不要闭环控制。

3.2.1变压器铁芯

一般选软磁铁氧体作为变压器铁芯，根据式

(3)~(4)确定铁芯型号。

81maxmax()210(C)oONSQBKKjpT计(3)式中，S为铁芯的截面积(cm2);Q为铁芯的窗口面积(cm2)。Bs为选用的铁氧体饱和磁感应强度，考虑到高温时Bs会下降，选定工作最大磁感应强度Bm;TONmax为最大占空比Dmax对应的TOpSwitch-II最大导通时间;△B为铁芯磁感应强度的变化量，工作磁感应强为B，最小功率与最大功率的比值为K。上述几个量相互之间的对应关系为：

式中，Kc为铁芯填充系数，Kμ为窗口利用系数，j为导线电流密度。在确定铁芯型号时，铁芯实际的截面积与窗口面积乘积SeQe，应不小于SQ。

3.2.2原边电感和气隙

反激式开关电源，当工作在持续工作模式时，电感电流临界持续，变压器原边绕组最小电感值L1min为：1221minminminmax(2oS)iONLpTUT(5)式(5)中，Uimin为变压器原边直流输入电压最小值，文献[6]指出，它与VACmin的关系为：21111/2minmin21maxi2AC2()(2)oUVCftp(6)式中，f为工频交流电网频率;t为二极管的导通时间，一般取3ms。铁芯所开气隙δ为：8210max10(2e)oSKSBpT(7)3.2.3原副边绕组匝数计算及电感校核图2中，原副边绕组匝数N1~N10，按式(8)~(17)

计算：411/2101min10(e)NSL(8)(1)匝比计算：U2~U3输出，匝数为N2、N3。考虑到肖特基二极管压降U5D，由反激电路输入输出电压关系可以得到：11312max25maxmin(ON)(D)ONinnTTUUTU(9)U4~U9输出，匝数为N4～N9。考虑到超快速二极管压降U15D，同理得：114max415maxmin(ON)(D)ONinTTUUTU(10)151617181914nnnnnn(11)反馈绕组电压为U10，匝数为N10，考虑到超快速二极管压降U12D，同理得：1110max1012maxmin(ON)(D)ONinTTUUTU(12)

(2)各绕组匝数计算：123121NN(n)N(13)以U2为参考标准，计算其它副边绕组匝数及重新计算原边匝数：1212NNn(14)14254152(D)(D)NUUUUN(15)

N5N6N7N8N9N4(16)1102510122(D)(D)NUUUUN(17)式(13)~(17)实际取值时，因为匝数一般都取整数，故需对上述计算值进行进位取整(例如计算结果为7.13和7.83时，均取为8)。(3)原边电感校核：'81'21min1010cLNS(18)式(18)的计算结果应不小于式(5)的值。同理，可计算出副边各个绕组最小电感值。考虑高频集肤效应，当开关频率为fs时，铜线的透入深度△为：1/20(s)f(19)式中，γ为铜线的电导率。在确定导线线径时，其值不能超过2△。3.3箝位保护电路采用瞬态电压抑制器(TVS)和超快恢复二极管(SRD)组成的箝位电路。电路的重要原理是利用TVS的瞬态电压抑制特性来抑制脉冲电压[7]：当TVS管两端经受瞬间的高能量冲击时，它能以极高的速度使其阻抗骤然降低，同时吸收一个大电流，将其两端的电压箝位在一个预定的数值上，从而确保后面的电路元件免受瞬态高能量的冲击而损坏。D11为TVS，它与D12(SRD)组成箝位电路，如图2所示。D11承受的耐压值U11、D12承受的耐压值U12分别按式(20)、式(21)计算：111221U1.5U(N)N(20)12max2ACUV(21)式中，N'1为校核后的原边匝数。3.4反馈电路光耦反馈电路实际由两部分构成：①由反馈绕组N10、高频整流滤波器构成的非隔离式反馈电路，反馈电压U10为光敏晶体管供应偏压;②由取样电路、TL431、pC817构成的隔离式反馈电路，它将输出电压U3的变化量直接转换为控制电流Ic：在Ic=2~6mA的范围内，输出电压U3减小时，经过光耦反馈电路使得Ic减小，D增大，U3增大，最终保证输出电压稳定。4.八路开关电源设计及性能测试4.1参数设计考虑IpM和DSp及其他芯片的工作电流，功率选为75W。由TOpSwitch-II最大输出功率与型号

故需对上述计算值进行进位取整(例如计算结果为

的关系，选择TOp226Y。按照上述分析，设计了基于TOp226Y的八路输出开关电源，其电路原理图，如图2所示，设计物理量及数值如表1所示：表1八路输出开关电源设计物理量及数值

在绕制变压器时，选择了EI33型铁芯。为了使得各输出绕组间紧密耦合，先绕N1的一半，再绕N10，之后依次绕N2~N9，最后绕N1的另一半。变压器的各个绕组电感测量值和最小计算值如表2所示：表2变压器各个绕组电感测量值与最小计算值比较

图2开关电源电路原理图

从表2可以看出，变压器各个绕组电感测量值均不小于最小计算值，满足设计要求。另外，将副边绕联立式(1)~(20),结合表1，可以求得开关电源各个重要待定物理量(按公式排列顺序)如表3所示：

表3八路输出开关电源待定物理量及数值

4.2性能测试

交流输入电压给定187~253V时，对开关电源进行了上电试验。为了证明钳位电路的设计,图3给出了交流输入电压为220V时，TOp226Y的D与S两端的电压应力波形，用差分探头20倍衰减，可以看到电压被TVS箝位在200V，使得TOp226Y得到了很好地保护。图4~图11是交流输入电压为220V时，测得的八路输出电压波形，从图中可以看到各路输出较稳定，纹波小。组短路，测得原边绕组漏感量为26.28μH，小于原边电感量5%。综上所述，变压器能够正常工作。

5.结论

本文采用TOp226Y设计了一款多路输出的开关电源，对各个模块给出了理论分析和参数计算，最后通过实测结果分析，得到以下结论：

(1)TOpSwitch-II系列开关电源，与MOSFET及pWM控制器集成电路相比，有高集成度、最简外围电路等优点，降低了设计难度，缩短了开发周期。

(2)交流输入电压给定为220V±15%时，输出电压波动较小，能够满足交流伺服系统供电要求，验证了理论分析和参数设计的正确性。

参考文献

[1]崔伟荣.永磁同步电动机功率因数的仿真分析[D].南京:南京特种航天大学,2006.

[2]孙祖勇,陈志辉.多路隔离输出全数字伺服系统开关电源设计[J].电源技术应用,2007,10(6):33-37.

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[4]沙占友.单片开关电源最新应用技术[M].北京:机械工业出版社,2003.

[5]陈坚.电力电子学——电力电子变换和控制技术(第二版)[M].北京:高等教育出版社,2004.

[6]马瑞卿,任先进.一种基于TOp224Y的单片开关电源设计[J].计算机测量与控制,2007,15(2):235-238.

[7]LUJue,ZHOUHong,YULi,etal.AnovelimpulsivetransientsuppressiondevicebasedonTVSarray[C].proceedingsofthe2009Asia-pacificpowerandEnergyEngineeringConference,2009:1-5.

作者简介：

余伟(1989-)