基于多路單端反激式開關(guān)電源的設(shè)計方案

　　0 引言

　　單片開關(guān)電源自問世以來，以其效率高，體積小，集成度高，功能穩(wěn)定等特點迅速在中小功率精密穩(wěn)壓電源領(lǐng)域占據(jù)重要地位。美國PI公司的TOPSwitch系列器件即是一種新型三端離線式單片高頻開關(guān)電源芯片，開關(guān)頻率fs高達(dá)100 kHz，此芯片將PWM控制器、高耐壓功率MOSFET、保護(hù)電路等高度集成，外圍連接少許器件即可使用。本文介紹了一種基于TOP223Y 輸出為+5 V/3 A，+12 V/1 A的單端反激式開關(guān)電源方案設(shè)計的原理和方法。

　　1 方案設(shè)計的原理

　　開關(guān)電源是涉及眾多學(xué)科的一門應(yīng)用領(lǐng)域，通過控制功率開關(guān)器件的開通與關(guān)閉調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制占空比達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的，能夠?qū)崿F(xiàn)AC/DC或者DC/DC轉(zhuǎn)換。

　　TOP223Y共三個端：控制極C、源極S、漏極D.因只有漏極D用作脈寬調(diào)制功率控制輸出，故稱單端;高頻變壓器在功率開關(guān)導(dǎo)通時只是將能量存儲在初級繞組中，起到電感的作用，在功率開關(guān)關(guān)閉時才將能量傳遞給次級繞組，起變壓作用，故稱反激式。

　　電路功能部分主要由輸入/輸出整流濾波、功率變換、反饋電路組成。工作原理簡述為：220 V市電交流經(jīng)過整流濾波得到直流電壓，再經(jīng)TOP223Y脈寬調(diào)制和高頻變壓器DC-AC變換得到高頻矩形波電壓，最后經(jīng)輸出整流濾波得到品質(zhì)優(yōu)良的直流電壓，同時反饋回路通過對輸出電壓的采樣、比較和放大處理，將得到的電流信號輸入到TOP223Y的控制端C，控制占空比調(diào)節(jié)輸出，使輸出電壓穩(wěn)定。

　　2 方案設(shè)計的要求

　　設(shè)計作為某智能儀器的供電電源，具體的參數(shù)要求如下：交流輸入電壓最小值：VACMIN=85 V;交流輸入電壓最大值：VACMAX=265 V;輸出：U1：+5 V/3 A;U2：+12 V/1 A;輸出功率：Po=27 W;偏置電壓：VB=12 V;電網(wǎng)頻率fL=50 Hz;開關(guān)頻率fs=100 kHz;紋波電壓：小于100 mV;電源效率：η大于80%;損耗分配因數(shù)Z 為0.5;功率因數(shù)為0.5.

　　3 設(shè)計實例

　　本設(shè)計方案是基于TOP223Y的多路單端反激式開關(guān)電源，性能優(yōu)越，便于集成。電路原理如圖2所示，可分為輸入保護(hù)電路、輸入整流濾波電路、鉗位保護(hù)電路、高頻變壓器、輸出整流濾波電路、反饋回路、控制電路7個部分。

　　3.1 輸入保護(hù)電路

　　由保險絲F1、熱敏電阻RT和壓敏電阻RV組成，對輸入端進(jìn)行過電壓、過電流保護(hù)。

　　保險絲F1用于當(dāng)線路出現(xiàn)故障產(chǎn)生過電流時切斷電路，保護(hù)電路元器件不被損壞，其額定電流IF1 按照IF1》2IACRMS選擇3 A/250 VAC保險絲，其中IACRMS為原邊有效電流值。熱敏電阻RT用以吸收開機(jī)浪涌電流，避免瞬間電流過大，對整流二極管和保險絲帶來沖擊，造成損壞，加入熱敏電阻可以有效提高電源設(shè)計的安全系數(shù)，其阻值按照RRT1》0.014VACMAX/IACRMS 選擇10D-11（10 Ω/2.4 A）。壓敏電阻RV能在斷開交流輸入時提供放電通路，以防止大電流沖擊，同時對沖擊電壓也有較好鉗位作用。RV選取MY31-270/3，標(biāo)稱值為220 V.

　　3.2 輸入整流濾波電路

　　由EMI濾波電路、整流電路、穩(wěn)壓電路組成。

　　EMI濾波電路針對來自電網(wǎng)噪聲干擾。采用由L1，CX1，CX2，CY1，CY2構(gòu)成典型的Π型濾波器。

　　CX1和CX2用來濾除來自電網(wǎng)的差模干擾，稱為X電容，通常取值100~220 nF，這里取100 μF;CY1和CY2用來濾除來自電網(wǎng)的共模干擾，稱為Y電容，通常取值為1~4.7 nF，這里取2.2 nF;同樣用來消除共模干擾的共模電感L1的取值8~33 mH，這里取8 mH，采取雙線并繞。

　　輸入整流電路選擇不可控全波整流橋。整流橋的反向耐壓值應(yīng)大于1.25倍的最大直流輸入電壓，整流橋的額定電流應(yīng)大于兩倍的交流輸入的有效值，計算后選擇反向擊穿電壓為560 V，額定電流為3 A的KBP306整流橋。

　　在當(dāng)前的供電條件下，輸入儲能電容器CIN的值根據(jù)輸出功率按照2~3 μF/W 來取值，考慮余量，取CIN=100 μF/400 V的電解電容。假設(shè)整流橋中二極管導(dǎo)通時間為tc=3 ms，可由：

　　得到輸入直流電壓的最小值和最大值。

　　3.3 鉗位保護(hù)電路

　　當(dāng)功率開關(guān)關(guān)斷時，由于漏感的影響，高頻變壓器的初級繞組上會產(chǎn)生反射電壓和尖峰電壓，這些電壓會直接施加在TOPSwitch芯片的漏極上，不加保護(hù)極容易使功率開關(guān)MOSFET燒壞。加入由R1、C2和VD1組成經(jīng)典的RCD鉗位保護(hù)電路，則可以有效地吸收尖峰沖擊將漏極電壓鉗位在200 V左右，保護(hù)芯片不受損壞。推薦鉗位電阻R1取27 kΩ/2 W，VD1鉗位阻斷二極管快恢復(fù)二極管耐壓800 V 的FR106，鉗位電容選取22 nF/600 V的CBB電容。