TOPSwitch Ⅱ在稳压电源中的应用

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1 引言
　　在进行电路和单片机实验时，实验稳压电源是必需的设备之一，对这类稳压电源，功率容量并不要求很大，但要有多组输出电压，其中最好有一组输出电压能够连续可调，以适应不同场合的需要。市售的实验稳压电源种类很多，但基本上都是采用工频线性稳压方式。其优点是简单、易制造、价格低，缺点是体大笨重和效率低。采用高频开关电源是克服上述缺点的有效途径，但一般的高频开关电源电路复杂，元器件较多，制作成本也会有所提高，所以目前在实验稳压电源中采用高频开关技术的仍不多见。然而采用TOPSwitch等新型器件制作的高频开关电源，电路可以做得和工频线性稳压电源一样简单，性能很优越，效率却远高于后者，而成本也不会有明显的增加。
　　TOPSwitch器件是美国功率集成公司（PowerIntegrationsInc），于90年代中期推出的新型高频开关电源芯片。它是三端脱线式PWM开关的英文缩写（ThreeterminalofflinePWMSwitch）。它的特点是将高频开关电源中的PWM控制器和MOSFET功率开关管集成在同一芯片上，是一种二合一器件。这大大简化了电源电路，提高了可靠性，使得电源的设计更加简单快捷。TOPSwitch器件有多种封装形式，采用DIP－8和SMD－8封装的，中间4只为空脚，可以将它们接到印刷电路板的铜箔上，将芯片产生的热量直接传到印刷电路板上，不必另设散热器，节省了成本。采用TO220封装的，只有3只管脚，使用起来就和一只大功率三极管一样便利。此外由于PWM控制器和MOSFET功率开关管是在管壳内连接的，连线极短，这就消除了高频辐射现象，改善了电源的电磁兼容性能，减小了器件对电路板布局和输入总线瞬变的要求。TOPSwitch－II是TOPSwitch的改进型号，它将单电压输入时的最大功率100W提高到150W，电磁兼容性也得到增强，该器件具有更高的性能价格比。TOPSwitch－II器件包括TOP225－TOP227等几个型号，主要差别就在于输出功率的不同。TOPSwitchII器件的内部电路与性能分别见图1和表1所示。


图1 TOPSwitch－Ⅱ系列器件内部结构图

表1 TOPSwitch－Ⅱ的产品分类及最大输出功率POM

　　2 工作原理
　　该电源电路拓扑为单端反激式，电路原理见图2所示。220V市电经电源噪声滤波器LF后再通过桥式整流器直接整流。电源滤波器的作用一方面是滤除由电网传来的杂波电压，净化输入电源，另一方面也阻止高频开关电源的振荡电压窜入电网，干扰其它电器。现在很多电源设计不重视电源滤波器的选择，一些中小功率的高频开关电源往往不加电源滤波器，这样不仅降低了电源本身的抗干扰能力，影响其工作稳定性，而且也造成对公共电网的污染。市电经整流和电容滤波后，变成308V的直流电压供给TOPSwitch－II器件，TOPSwitch－II构成DC/DC变换器，它将输入的直流高压变成脉宽可调的高频脉冲电压，经高频变压器降压后再进行半波整流和滤波，变成所需要的直流电压输出。R1、C1、VD1组成缓冲吸收电路，吸收功率器件在关断过程中由于变压器漏感产生的电压尖峰过冲，电路的工作频率为100kHz，振荡元件已固化在器件内部，高频变压器的次级有4个绕组，其中的5V/3A绕组N3控制TOPSwitch－II器件的脉宽，即这一组输出电压为PWM稳压，由并联可编程稳压器TL431和光电耦合器PC及分压电阻R7、R8完成取样反馈工作。之所以选择这一绕组进行脉宽控制，是因为它的输出电压低电流大，更能体现出开关电源的优越性。为了实现对光耦的隔离供电，变压器单设了一个辅助绕组N2。±12V/0.5A绕组N4及N5采用集成三端稳压器LM7812和LM7912进行线性稳压，因输出电流不大，功耗较低，散热问题容易解决。次级中还有一个1.25V～30V/1.5A的可调绕组N6，采用了可调三端稳压器LM317进行线性稳压和调压，为了克服线性稳压在低压输出时，功耗大和效率低的缺点，此绕组设置了高、低两个抽头，抽头的变换由继电器自动切换，切换电压设在15V，由TL431取样。当要求输出电压低于15V时，TL431的参考输入端的电压低于2.5V，TL431截止，继电器K不吸合，低压绕组被接通。反之，当要求输出电压高于15V时，TL431的参考输入端的电压高于2.5V，TL431导通，继电器吸合，高压绕组被接通。电压表PV指示输出电压的数值。


图2 稳压电源原理图
　　TOPSwitch－II器件型号的选择
　　本电源总输出功率为各组输出功率之和：
PO=5×3＋12×2×0.5＋30×1.5=72W
　　若电源总的效率为80％，则电源输入的总功率应为：
Pi=PO/80％=72/0.8=90W
　　从表1可以看出，在220V单一电压条件下，TOP225Y的最大输出功率为100W，能够满足本电路要求。


        3高频变压器的设计
　　在制作单端反激式高频开关电源时，高频变压器的设计与计算是至关重要的，其工作量也是比较大的。
　　假定交流输入电压的范围是180V～260V，整流器压降和输出电压纹波为22V，最大占空比为Dmax=0.5，则


K=Uimax/Uimin=364/230=1.58
Dmin=Dmax/[(1－Dmax)K＋Dmax]=0.5/[(1－0.5)×1.58＋0.5]=0.38
Ip=2PO/(Uimin×Dmax)=2×90/(230×0.5)=1.57A
　　(1)变压器初级电感量
Lp=Uimin×Dmax/(Ip×f)=230×0.5/(1.57×100×103)=0.73mH
　　选择南京CONDA公司的PQ32/30磁芯、LP3材料、AL=1.61、磁通密度B=0.39T，变压器工作在单端状态，最大工作磁通
Bmax=B/2=0.39/2=0.19T
　　为避免出现磁饱和现象，变压器磁芯要留有空气隙，其长度
Lg=0.4×π×Lp×Ip2/(AL×B2max)=0.4×3.14×0.73×10－3×1.572/(1.61×0.192)=0.04cm
　　(2)变压器初级匝数N1
N1=Lp×Ip×104/(AL×Bmax)=0.73×10－3×1.57×104/1.61×0.19=38匝（取整）
　　（3）5V绕组匝数N3
N3=N1（UO＋UD）（1－Dmax）/(Uimin×Dmax)=38×(8＋1)(1－0.5)/(230×0.5)=1匝（取整）
　　（4）±12V绕组匝数N4、N5
N4=N5=N1（UO＋UD）（1－Dmax）/(Uimin×Dmax)=38×(15＋1)×(1－0.5)/(230×0.5)=3匝（取整）
　　（5）反馈绕组匝数N2=N4=N5
　　（6）1.25V～30V可调绕组匝数N6
N6=N1（UO＋UD）（1－Dmax）/(Uimin×Dmax)=38×(33＋1)(1－0.5)/(230×0.5)=6匝（取整）
　　在3匝处抽头
　　上述计算匝数各公式中的UO为输出电压（取额定输出电压＋稳压器压降3V），UD为快恢复二极管压降，取1V。
　　采用高强度漆包线绕制，各绕组所用漆包的线径如下：
　　N1用0.71mm
　　N2、N4、N5用0.42mm
　　N3用0.99mm
　　N6用0.72mm
　　5V绕组的输出滤波电感线圈L1选4cm磁环，用1.0mm漆包线穿绕15匝。
　　高、低压切换继电器用JZC22F，DC12V/10A，电压表的型号为85C1、表盘刻度0～30V。
　　高频变压器的计算过程是很繁琐的，要考虑大量相互关联的设计变量，费力耗时。为减轻设计者负担，美国功率集成公司特为TOPSwitch器件设计了一套EXCEL电子表格，可以在PC机上运行。应用电子表格设计电源，简单快捷，一般只要10分钟左右即可完成。中国电源学会1999年第13届年会上，曾有一篇论文，专门介绍了EXCEL电子表格，读者可参阅该文，这里不再赘述。