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脉冲电源是一种通断的直流电源
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脉冲电源是一种通断的直流电源

作者:admin   发布日期:2018-11-10 02:48   信息来源:http://www.lpqy.net/

脉冲电源是各种电源设备中比较特殊的一种,它的电压或电流波形为脉冲状。其实质上是一种通断的直流电源,其基本工作原理是首先经过慢储能,使初级能源具有足够的能量,然后向中间储能和脉冲成形系统放电(或流入能量),能量经过储存、压缩形成脉冲或转化等复杂过程之后,形成脉冲电源。

随着开关电源的发展,电源的小型化、模块化、智能化越来越受到人们的关注。各种电源控制芯片如雨后春笋纷纷涌现,美国电源集成(PI)公司相继推出TOP系列芯片,这些芯片集脉冲信号控制电路和功率开关器件MOSEFT于一体,具有高集成度、最简外围电路、最佳性能指标等特点,能组成高效率无工频变压器的隔离式开关电源。所以,本文设计基于TOP227Y芯片控制的开关电源。

1 总体结构

本文设计的脉冲开关电源总体结构如图1所示。

由图1可知,输入220 V交流电流,先由4个二极管的全桥整流,然后通过TOP227Y开关和高频变压器变压,再经过二次整流、电容滤波和电感平波,输出150 W的直流电。高频变压器二次侧有3个绕组,2路输出功率,另一路为反馈回路提供电源。反馈回路从输出端进行电压取样,通过光耦来控制脉冲控制开关的通断,调节输出功率。


2 高频变压器主要参数设计

高频变压器在开关电源中起很重要的作用,它主要是传输功率,实现输入输出两侧的电气隔离。同时,可通过改变初次级的匝数比来改变输出电压,也可增加匝数不同的次级,以达到获得多输出的目的。根据设计要求,选择某厂的功率铁氧体LP3作为高频变压器的磁芯。采用面积乘积(AP)法设计变压器:



式(1)中,Ps为视在功率,取370 W;Bm为工作通磁通密度,取125 mT;fs为工作频率,取45 kHz;Kf为波形系数,方波取4;Kw为变压器铜窗占用系数,取0.2;J为电流密度,取400 A/cm2,故AP=4.1 cm4,据此选用磁芯结构为EE42A。

计算初次级匝比:

式中,Vin(min)为初级最小输入电压;Dmax为最大占空比,取45%;Vo为输出电压;Vf为输出端整流二极管压降,计算得n=3,验证最大占空比为40.65%。

原边匝数:



其中ton为导通时间;△B为工作磁通范围,取250 mT,计算Np为36。

副边匝数:



复位绕组匝数NR=Np=36。

考虑趋肤效应后各线径的取值分别为:初级绕级为36匝、4股并绕;次级绕级为12匝、4股并绕;复位绕级为36匝;辅助电源绕组为3匝。

另外,应在降低高频变压器损耗、减少变压器漏感、控制温升等方面采取相应的措施,以保证高频变压器能满足设计要求。

3 主电路结构设计

交流电220 V通过由两个桥臂组成不可控全桥输入,经电容组成的滤波器可抑制电磁噪声,因而在小型的开关电源中只需简单的滤波器就可以有效削弱噪声,更重要的是滤去高次波,VD1,VD2,VD3,VD4组成整流电路,整流后的脉动直流经C1滤波,提供给主电路和开关调制电路,高频变压器的次级绕组有3个,2个是主绕组,作用是提供电源主能量,高频变压器经快速恢复二极管VD5和VD6整流后由滤波电容C2,C3滤波,再经L1组成的低通滤波器向负载输出。L1主要是抑制高频电压向负载输出,加上L1以后也能使输出的电压波形更平整,以防止负载受其干扰。输出端的电容器C4是为了让输出的不平整波纹更平整,它主要是为了降低交流电压的波纹系数而加的,第二路的输出原理和第一路相似。主电路结构如图2所示。

4 控制电路设计

高频变压器一次绕组除了向主电路次级绕组提供能量外,还向另一个次级绕组组成反馈电压绕组提供能量,反馈绕组的电压两端串联一个分压电阻后加在一个光耦上,反馈绕组的两极之间接一个电容滤波器,滤掉高次谐波,输出的反馈电压加在光耦发光二极管的正极上。电阻R3,R2和稳压管VDZ组成基准电压源,为光耦提供基准电压,这样光耦中的二极管的发光强度是由输出电压控制的,经光耦耦合到TOP227Y的控制端从而实现脉宽的可控,达到稳压的目的,控制电路的结构图如图3所示。


4.1 TOP227Y工作原理

TOP227Y开关工作原理框图见图4所示,主要包括10个部分:控制电压源;带隙基准电压源;振荡器;并联调整器/误差放大器;脉宽调制器;门驱动级和输出级;过电流保护电路;过热保护及上电复位电路;关断/自动重启动电路;高压电源源。图4中Zc为控制端的动态阻抗,RFB是误差电压检测电阻。RA与CA构成截止频率为7 kHz的低通滤波器。TOP227Y的基本工作原理是利用反馈电流Ic来调节占空比D。

4.1.1 控制电压源

控制电压源Uc能向并联调整器和门驱动级提供偏置电压,而控制端电流Ic则能调节占空比。Uc有2种工作模式:一种是滞后调节,用于启动和过载两种情况,具有延迟控制作用;另一种是并联调节,用于分离误差信号与控制电路的高压电流源。刚启动电路时由D-C极之间的高压电流源提供控制端电流Ic。

4.1.2 带隙基准电压源

带隙基准电压源除向内部提供各种基准电压之外,还产生一个具有温度补偿并可调整的电流源,以保证精确设定振荡器频率和门极驱动电流。

4.1.3 振荡器

内部振荡电容是在设定的上、下阈值UH,UL间周期性线性充放电,以产生脉宽调制器所需要的锯齿波(SAW),与此同时还产生最大占空比信号(Dmax)和时钟信号(CLOCK)。为减小电磁干扰,提高电源效率,振荡频率(即开关频率)设计为100 kHz,脉冲波形的占空比设定为P。

4.1.4 放大器

误差放大器的增益由控制端的动态阻抗Zc来设定。Zc的变化范围是10~20 Ω,典型值为15 Ω。误差放大器将反馈电压UFB与5.7 V基准电压进行比较后,输出误差电流Ir,在RFB上形成误差电压Ur。

4.1.5 脉宽调制器(PWM)

脉宽调制器是一个电压反馈式控制电路,它具有2层含义:改变控制端电流Ic大小,即可调节占空比P实现脉宽调制;误差电压Ur经由RA,CA组成截止频率为7 kHz的低通滤波器,滤掉开关噪声电压之后加至PWM比较器的同相输入端,再与锯齿波电压UJ进行比较,产生脉宽调制信号UPWM。UPWM通过与门DA1、或门DO之后,可将触发器I置零,使Q=0,把功率MOSFET关断;而时钟信号再把触发器置位,使Q=1,又使功率MOSFET导通,从而实现了脉宽调制信号的功率输出。

4.1.6 门驱动级

门驱动级DN用于驱动功率开关管(MOSFET),使之按一定速率导通,从而将共模电磁干扰减至最小。

4.1.7 过流保护电路

过流比较器的反相输入端接阈值电Ulimit,同相输人端接MOSFET管的漏极。ID过大,UDS(ON)>Ulimit,过电流比较器就翻转,输出变成高电平,经过DA2,DO,将触发器I置零,进而使功率MOSFET关断,起到过电流保护作用。

4.1.8 过热保护电路

当芯片结温Tj>135℃时,过热保护电路就输出高电平,将触发器Ⅱ置位,使Q=1,关断输出级。此时Uc进入滞后调节模式,Uc端波形也变成幅度为4.7 V~5.7 V的锯齿波。若要重新启动电路,需断电后再接通电源开关或者将Uc降至3.3 V以下,达到Uc(reset)值,再利用上电复位电路将触发器Ⅱ置零,使功率MOSFET恢复正常工作。

4.1.9 关断/自动重启动电路

一旦调节失控,关断/自动重启动电路立即使芯片在5%占空比下工作,同时切断从外部流人控制端的电流Ic,Uc再次进入滞后调节模式。倘若故障已排除,Uc又回到并联调节模式,自动重新启动电源恢复正常工作。

4.1.10 高压电流源

在启动或滞后调节模式下,高压电流源经过电子开关S给内部电路提供偏置,并且对CT进行充电。电源正常工作时S改接内部电源,将高压电流源关断。当TOP227Y开关启动操作时,在控制端环路振荡电路的控制下漏极端有电流流入芯片提供开环输入,该输入通过旁路调整器、误差放大器,由控制端进行闭环调整,改变Ic,经由PWM控制MOSFET的输出占空比,最后达到动态平衡。

5 整机电路

输入工频220 V的电压时经过全桥整流电路整出脉动的直流电,然后由C1和L组成的滤波器滤去高次波,再经过高频变压器和快速二极管VD2,VD3将电压变换成20 V的直流电压,为了得到更平直的直流电压,加上L1和C4,为了使电压平稳性更好,L1设定为1.1 mH,电容选用为7 mF,工频电经过这一系列变换,输出值就是为直流15 V,10 A,电路图如图5所示。


另一路是工频电经过高频变压器和快速二极管VD5,VD6将电压变换成10 V,5 A的直流电,为了得到更平直的直流电压,加上L2和C7。第一路输出功率为150 W,第二路输出功率为50 W,总功率为200 W。

TOP227Y开关能调节输出脉宽,当因电网或者负载变化引起输出电压变大时,电压会通过反馈回路反馈到光耦,发光二极管发光增强,光敏三极管受到强光通过的电流增大,这个电流将回馈到TOP227Y芯片的控制端,而使TOP227Y芯片输出的脉宽变小,于是输出电压降低反则亦然,因此达到稳压目的。

6 结语

本文设计一种基于TOP227Y脉冲控制芯片的2路输出正激式稳压电源,该开关电源利用TOP227Y内部脉宽调制器等功能块的作用,对输出电压进行控制,以达到稳压的目的。该开关电源有两路输出,功率不同,正负半周均可传递能量,电源利用效率高,具有很好的应用前景。

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