基于TOPSwitch的多路輸出電源的設(shè)計(jì)

　　引言

　　隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)傳動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，其中尤以交-直-交變頻調(diào)速應(yīng)用最為普遍。

　　交-直-交變頻調(diào)速電路包括整流及逆變部分，其中逆變部分典型為6個(gè)開關(guān)單元（IGBT或MOS管），上、下臂各3個(gè)，也有的加上制動(dòng)單元為7個(gè)開關(guān)單元。因?yàn)樯媳?個(gè)單元的控制觸發(fā)脈沖信號(hào)的參考地是懸浮的，故觸發(fā)脈沖一般需要相互隔離的4組電源（上臂3個(gè)單元分別供電，下臂共用一組電源）。當(dāng)然，若軟件配合控制，給出充電脈沖，上臂3個(gè)單元的電源采用自舉電路，則只用一組電源即可。

　　這里只討論采用4組電源的情況。逆變器的控制輔助電源有3個(gè)特點(diǎn)：

　　1）具有多路輸出電壓。本文介紹的電源就有5V、±15V、四組16V觸發(fā)脈沖電源、12V偏置電源、24V共9路輸出電壓。其中，5V、±15V輸出電壓共地，其余輸出電壓均為獨(dú)立輸出電壓；

　　2）四組脈沖電源要求輸出電壓一致性較好，穩(wěn)壓精度較高；

　　3）四組脈沖電源要求能提供較大的瞬時(shí)功率，但平均功率較小。

　　要滿足上述要求而又簡單、成本低，采用美國PI公司的TOPSwitch系列產(chǎn)品不失為一種較好的選擇。TOPSwitch系列產(chǎn)品將MOS管和PWM控制器集成在一個(gè)芯片之中，外圍電路十分簡單，功率范圍涵蓋了數(shù)瓦到數(shù)百瓦，芯片封裝形式多種多樣，有的芯片還具有過溫、過流及輸入電壓過、欠壓等保護(hù)功能，能靈活適應(yīng)許多電源的設(shè)計(jì)。PI公司還推出了TOPSwitch系列產(chǎn)品的輔助設(shè)計(jì)軟件，以方便使用者快速、準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)出所需要的電源。筆者在做一個(gè)伺服控制器項(xiàng)目時(shí)其輔助電源就選用了TOPSwitch產(chǎn)品來設(shè)計(jì)，作為一個(gè)典型例子，下面簡要介紹其設(shè)計(jì)方法及要點(diǎn)。

　　電路沒計(jì)

　　電源設(shè)計(jì)要求

　　輸入電壓VIN范圍：180VAc～240VAc.各輸出電壓幅值及額定負(fù)載分別為：Vo1：5.8V，1A；Vo2：15V，0.2A；Vo3：-15V，0.2A；Vo4：24V，0.1A；Vo5：16V，0.2A；Vo6：16V，0.1A；Vo7：16V，0.1A；Vo8：16V，0.1A；VBIA：12V，0.02A. 要求工作可靠，所占空間小，成本較低。

　　TOPSwitch器件選型

　　在本電源中，Po=22.44w，電源工作于密閉的控制柜中，為了工作可靠應(yīng)具有過溫、過流及輸入過、欠壓等保護(hù)措施，綜合考慮后，我們選擇了 TOPSwitch-GX系列的TOP243R器件。該器件在輸入電壓為230VAC±15%時(shí)，在適配器工作環(huán)境下（對(duì)應(yīng)于密閉環(huán)境）最大輸出功率為 29W，且有過溫、過流及輸入過、欠壓等保護(hù)功能，“R”型封裝便于利用PCB覆銅層散熱，省去散熱器。

　　高頻變壓器設(shè)計(jì)

　　針對(duì)采用TOPSwitch系列產(chǎn)品的電源設(shè)計(jì)，PI公司推出了PI Expert輔助設(shè)計(jì)軟件。只要輸入電源設(shè)計(jì)要求，該軟件會(huì)快速、準(zhǔn)確地給出設(shè)計(jì)結(jié)果，包括推薦采用的TOPSwitch系列產(chǎn)品、變壓器磁芯及變壓器初、次級(jí)繞組參數(shù)等。但目前版本只支持最多5組次級(jí)輸出繞組，若輸出繞組大于5組，則可按下述步驟手工計(jì)算變壓器繞組參數(shù)：

　　式中VACMIN為最小輸入交流電壓，Po為輸出功率，fL為輸入線電壓頻率，tC為橋式整流傳導(dǎo)時(shí)間，典型值為3ms，η為效率（一般取0.8），CIN為輸入濾波電容（一般取輸出功率（w）的2～3倍（μF））。

　　式中VOR為反射電壓。對(duì)TOP2XX系列器件而言，VOR≤135V，這里取135V。VDS為主開關(guān)導(dǎo)通時(shí)D、S端間壓降，典型值為10V。

　　則式中KRP為紋波電流與峰值電流比。在連續(xù)工作模式下，對(duì)230VAC輸入，KRP≥0.6，這里KRP取0.6。

　　則式中fs為工作開關(guān)頻率，這里fs=132KHz，則