基于TOPSwitch超宽输入隔离式稳压开关电源设计

1万 · 2013-8-25 21:18

引言
开关电源(Switching Power Supply)自问世以来，就以其稳定、高效、节能等优良性能而成为稳压电源的主要产品。而高度集成化的单片开关电源，更是因其高性价比、简单的外围电路、小体积与重量和无工频变压器隔离方式等优势而成为稳压电源中的佼佼者。随着各种不同的单片开关电源芯片及其电路拓扑的应用和推广，单片开关电源越来越体现出巨大的实用价值和美好前景。但是，TOPSwitch通常允许的输入电压变化范围为120～370V，本文尝试用它制作更宽输入电压变化范围(80～550V)的稳压电源。实验结果证明是很成功的。
芯片结构及稳压原理
近十几年来，美国电源集成公司(PI)、摩托罗拉公司(Motorola)、意-法半导体公司(SGS-Thomson)、美国Onsemi公司等相继推出了TOPSwitch，MC，L4970，NCP1000等不同系列的单片开关电源产品。由于TOPSwitch系列产品性能稳定，价格实惠，故本文选择该系列中的一种芯片为核心设计制作了一种输入范围极宽的稳压电源。该电源输入直流电压范围为80～550V，输出直流电压20V，输出功率20W。
TOPSwitch不论是三脚封装，还是DIP-8或SMB-8封装，其实质都是三端器件，分别为控制端C(Control)、源极 S(Source)、漏极D(Drain)。控制端的主要作用是，根据其电流Ic来自动调节占空比，当Ic变化时，占空比就在一定范围内变化。源极S与芯片内部功率MOS管源极相连，并作为初级电路的公共地。漏极D与芯片内部功率MOS管的漏极相连。
TOPSwitch主要包括控制电压源、高压电流源、关断/自动重启动电路、并联调整器/误差放大器、带隙基准电压源、过热保护及上电复位电路、过流保护电路、振荡器、脉宽调制器、门驱动级和输出级等10个部分。其内部结构框图如图1所示。

图1 TOPSwitch内部结构框图

TOPSwitch的额定开关频率为100kHz，允许工作范围90～110kHz。
TOPSwitch的稳压原理是通过反馈电流(即控制端电流)Ic来自动调节占空比，从而实现稳压。例如，当输出电压上升时，反馈电流随之上升，占空比呈反向变化而下降，导致输出电压也随之下降，从而保证输出电压的稳定。反之亦然。
电路图及工作原理
由TOPSwitch构成的单片开关电源如图2所示，是典型的单端反激式开关电源。

图2 由TOPSwitch构成的20W稳压开关电源

图2中T为三绕组高频变压器，工作频率为100kHz。3个绕组分别为：Np原边绕组(65匝);Ns副边绕组(即输出绕组，13匝)；Nf反馈绕组(8匝)；各绕组同名端在图2中已标出。变压器中能量传递过程为：当TOPSwitch中的功率MOSFET导通时，变压器原边绕组储存能量；当功率MOSFET关断时，原边绕组中储存的能量传递给副边绕组和反馈绕组，经高频整流滤波后即可提供直流输出电压和反馈电压。
DZ1、D1和R1、C2组成了漏极箝位电路和能量吸收回路，用以限制TOPSwitch漏极因高频变压器的漏感而可能产生的尖峰电压。DZ1选用P6KE200A型瞬态电压抑制器(TVS)，其反向击穿电压为200V。D1选用MUR160型超快恢复二极管，其最大反向耐压值为600V。由于TOPSwitch的漏—源极最小击穿电压为700V，而当其功率MOSFET关断时，变压器原边的直流输入电压、原边绕组的感应电压以及由变压器的漏感而产生的尖峰电压，三者叠加在一起，其值可能超过700V，故必须在TOPSwitch的漏极增加箝位电路和吸收电路，用以保护功率MOSFET不被损坏。
C3为TOPSwitch控制端的旁路电容，其作用是对控制电路进行补偿，并能设定自动重启动频率。电路中所选参数值已将自动重启动频率设定为1.2Hz。
D2及D3为高频输出整流二极管，其中D2为MUR420型超快恢复二极管，其最大反向工作电压为200V，额定整流电流为4A；D3为1N4148型玻封高速开关二极管，其最大反向工作电压75V，平均整流电流150mA。
L1为滤波电感，其值约为20μH，是由非晶合金磁性材料制成的穿心电感，俗称“磁珠”。其作用是滤除D2在反向恢复过程中产生的开关噪声。
DZ2及DZ3为稳压管，型号为2CW346。IC2为线性光耦合器，型号为PC817A，其内部发光二极管的导通压降约为1V，正常工作电流If约为1～5mA，其直流电流传输比为80%～160%。
输出电压由两只稳压管电压、PC817A中发光二极管的导通压降以及电阻R4上压降三者之和而确定，故改变R4的大小，就能改变(精确调节)输出电压的设定值，同时也能改变控制电路的增益，即改变控制电路的放大倍数。对于不同的输出电压要求，只须改变稳压管和限流电阻R4的大小即可。如前所述，输出电压 Vo的稳压过程为：Vo↑(↓)→VR4↑(↓)→If↑(↓)→Ic↑(↓)→占空比↓(↑)→Vo↓(↑)。

1万 · 2013-8-25 21:18

实验结果
该稳压电源的实验波形如图3～图8所示。当输入如图3所示，为 Vi=80V时，输出电压vo如图4所示(平均值Vo=19.8V)，此时TOPSwitch的漏源电压vDS波形如图5所示。当输入电压如图6所示，Vi=550V时，输出电压vo如图7所示(平均值Vo=20.3V)，此时TOPSwitch的漏源电压vDS波形如图8所示。实验数据如表1所列。为了说明限流电阻R4对输出的影响，现将不同的R4值所对应的输出电压列在表2中。

图3 Vi波形(Vi=80V，100V/格)

图4 vo波形(Vo=19.8V，5V/格)

图5 vDS波形(Vi=80V，50V/格)

图6 Vi波形(Vi=550V，200V/格)

图7 vo波形(Vo=20.3V，10V/格)

图8 vDS波形(Vi=550V，200V/格)

表1 输出电压与输入电压的关系表(R4=400Ω，Po=20W)

表2 输出电压与电阻R4的关系表(Vi=200V，Po=20W)

从表1中可以看出，该稳压电源虽然输入范围很宽，但其输出电压的稳定性却是相当高的，这对于某些特殊的应用场合还是很有价值的。
在实际设计、使用该电源时，须注意如下事项：
1)若输入为交流，则在变压器输入侧增加相应的整流、滤波环节。若无滤波环节或滤波效果太差，都将导致电源无**常工作;
2)绕制高频变压器时，应将原边绕组绕在最里层，反馈绕组居中，副边绕组在最外边，各绕组应均匀分布，同时绕组之间应采用绝缘胶带进行绝缘；
3)焊接TOPSwitch时，应使其引脚尽可能地短；
4)TOPSwitch和MUR420须加散热器。
结语
本文所介绍的宽范围输入的稳压电源，结构简单，性能可靠，制作成本低廉，而且产品体积小，重量轻，因此，具有很大的实用价值，也代表了未来电源的发展方向。

基于TOPSwitch超宽输入隔离式稳压开关电源设计

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