- 超寬范圍輸入的開(kāi)關(guān)電源電路設計
- 前端電路設計
- 外圍控制電路設計
- 穩壓反饋電路設計
開(kāi)關(guān)電源基于自身的體積小巧和轉換效率高的特點(diǎn)已在電子產(chǎn)品中得到了廣泛的應用，特別是美國PI公司開(kāi)發(fā)的TOPSwitch系列高頻開(kāi)關(guān)電源集成芯片的出現，使電路設計更為標準成熟、簡(jiǎn)潔便捷。
但該TOPSwitch系列的集成芯片其典型輸入電壓設計為不高于275V的情況下工作，在工業(yè)現場(chǎng)，電網(wǎng)的電壓往往受用電負載的變化而變動(dòng)，特別是負載較大時(shí)情況尤其嚴重，另外現場(chǎng)環(huán)境的干擾尖峰也會(huì )疊加在輸入電壓上一起進(jìn)入電源電路，致使在惡劣環(huán)境下正常供電的電源芯片或其它的元件極其容易損壞。超寬范圍輸入的電源可在輸入80～400V的范圍內正常工作，同時(shí)也為現場(chǎng)任意采用220V相電壓或380V線(xiàn)電壓，還是一次高壓互感器出來(lái)的100V電壓，均可直接使用提供了方便。
基于TOP242N的多路實(shí)用開(kāi)關(guān)電源的設計
本文利用了TOP242N設計了一個(gè)實(shí)用的三路輸出的開(kāi)關(guān)電源，其輸出分別為5V／0．6A、5V／0．1A、15V／0．15A，電路原理圖如圖1所示。要求輸入電壓范圍為交流80～400V，輸出總功率約為6W左右。
前端電路設計
當輸入電壓要求為AC400V時(shí)，考慮輸入時(shí)電源的波動(dòng)變化為±15％，則最高輸入電壓將達到460V左右，此輸入電壓經(jīng)整流濾波后，其電壓可達650V左右，再考慮加上輸出反饋的電壓Uor和漏感形成的尖峰電壓疊加后其最高電壓將超過(guò)800V，而該芯片的最高電壓為700V，為了保證TOP242能正常安全工作，在設計前端電路時(shí)增加了一個(gè)MOS管，讓MOS管與TOP242串接，并實(shí)現與TOP管同步開(kāi)關(guān)來(lái)提高整體耐壓。本設計采用的MOS管是IR公司的IRFBC20，其耐壓為600V，導通關(guān)斷時(shí)間為幾十個(gè)ns，這可以大大減少開(kāi)關(guān)損耗。MOS管的通斷由TOP242N控制，這樣可以使MOS管和TOP242N內部的開(kāi)關(guān)管時(shí)序保持一致，見(jiàn)圖1。
外圍控制電路設計
該電路將TOP242N的極限電流設置為內部最大值，將TOP242N設為全頻工作方式，開(kāi)關(guān)頻率為132kHz，把多功能腳M與S短接。
穩壓反饋電路設計
反饋回路的形式由輸出電壓的精度決定，本設計采用“光耦加TL431”的反饋方式，見(jiàn)圖1。它可以將輸出電壓的變動(dòng)控制在±1％以?xún)?，反饋電壓?V輸出端取樣。電壓反饋信號通過(guò)電阻分壓器R10、R11獲得取樣電壓后，將與TL431中的2．5V基準電壓進(jìn)行比較并輸出誤差電壓，然后通過(guò)光耦改變TOP242N的控制端電流Lc，再通過(guò)改變占空比來(lái)調節輸出電壓使其保持不變。光耦的另一作用是對冷地和熱地進(jìn)行隔離。尖峰電壓經(jīng)R8、C4濾波后，可使偏置電壓即使在負載較重時(shí)，也能保持穩定，調節電阻R10、R11可改變輸出電壓的大小。
高頻變壓器設計
一般應選用能夠滿(mǎn)足高頻開(kāi)關(guān)的錳鋅鐵氧體磁心，為便于繞制，磁心形狀可選用EI或EE型，變壓器的初、次級繞組應相間繞制。高頻變壓器的設計由于要考慮大量的相互關(guān)聯(lián)變量，因此計算較為復雜，為減輕設計者的工作量，PI公司為T(mén)OPSwitch開(kāi)關(guān)電源的高頻變壓器設計制作了專(zhuān)用的設計軟件，設計者可以方便地應用該軟件設計高頻變壓器。
次級輸出電路設計
輸出整流濾波電路由整流二極管和濾波電容構成。整流二極管選用肖特基二極管可降低損耗并消除輸出電壓的紋波，但肖特基二極管應加上功率較大的散熱器；電容器一般應選擇低ESR等效串聯(lián)阻抗的電容。為提高輸出電壓的濾波效果，濾除高頻開(kāi)關(guān)過(guò)程所產(chǎn)生的電壓噪聲和電壓尖峰，在整流濾波環(huán)節的后面通常應再加一級LC濾波環(huán)節。
保護電路設計
為了保護電源在瞬間高壓下能正常工作，在電源的輸入端還設計了附加的過(guò)電壓保護措施，見(jiàn)圖1，即在輸入端并接了較大功率的壓敏電阻，并且在后級加上共模電感和負溫度系數的熱敏電阻，可有效的抑制開(kāi)機瞬間的電壓浪涌沖擊。為防止在開(kāi)關(guān)周期內，TOP242N關(guān)斷時(shí)漏感產(chǎn)生的尖峰電壓使TOP242N損壞，電路中設計了由鉗位齊納管VD5、阻斷二極管VD6組成的保護網(wǎng)絡(luò )。該網(wǎng)絡(luò )在正常工作時(shí)，VD5上的損耗很??；而在啟動(dòng)或過(guò)載時(shí)，VD5即會(huì )限制漏極電壓。
電源性能測試及結果分析
根據以上設計方法，對采用TOP242N設計的多路輸出開(kāi)關(guān)電源的性能進(jìn)行了測試。實(shí)測結果表明，該電源在交流輸入60～500V時(shí)，且在60°高溫條件下，電源都能可靠穩定工作，電源的效率約為85％以上，紋波電壓、輸出電壓穩定精度都在規定的范圍內。在EMC測試中，浪涌±4000V，快速脈沖群土4000V也能正常工作，各項性能指標經(jīng)測試均較滿(mǎn)意。
如本文所述，由于在前端設計時(shí)增加了串接的場(chǎng)效應管同步開(kāi)關(guān)，使集成芯片TOP242的工作電壓范圍大大擴展，有效地提高了開(kāi)關(guān)電源在工業(yè)現場(chǎng)各種環(huán)境下工作的可靠性和便利性，實(shí)用性能強。本文的設計原理可應用在TOPSwitch系列或其它系列的電源集成芯片的耐壓擴展，有較好的應用效果。
