多路输出的集成开关稳压电源设计 第4页
第三章 多路输出的集成开关稳压电源设计 第4页
在三相逆变器用开关电源中，电源的工作方式有两种，一种是应用工频变压器供电，另一种是应用开关稳压电源供电。随着微电子和电力电子技术的发展，它们都毫无例外地使用开关电源。开关电源具有重量轻、体积小、效率高、稳压范围宽等优点，正朝着短、小、轻、薄、单片集成化、智能化的方向发展。美国PowerIntegrations公司在2001年初开发的单片开关电源集成芯片TOP247Y属于该公司第四代单片开关电源集成电路TOPSwitch－GX系列。该系列产品除具备TOPSwitch－FX系列的全部优点之外，还将最大输出功率从75W扩展到250W，适合构成大、中功率的高效率、隔离式开关电源。它的开关频率高达132kHz，这有助于减小高频变压器及整个开关电源的体积。本文介绍了一种基于TOP247Y的多路开关稳压电源，其结构简单、成本低廉、制作调试方便，基本上能达到所要求的条件。
一、TOPSwitch－GX系列芯片工作原理
图1 TOP247Y芯片内部结构图
图1给出了TOP247Y芯片内部结构图，共有6个引出端，它们分别是控制端C、线路检测端L、极限电流设定端X、源极S、开关频率选择端F和漏极D。利用线路检测端(L)可实现4种功能：过压(OV)保护；欠压(UV)保护；电压前馈(当电网电压过低时用来降低最大占空比)；远程通／断(ON／OFF)和同步。而利用极限电流设定端，可从外部设定芯片的极限电流。在每个开关周期内都要检测功率MOSFET漏源极导通电阻Ros(on)上的漏极峰值电流ID(PK)，当ID(PK)>ILIMIT时，过电流比较器就输出高电平，依次经过触发器、主控门和驱动级，将MOSFET关断，起到过电流保护作用。
电源启动时，连接在漏极和源极之间的内部高压电流源向控制极充电，在RE两端产生压降，经RC滤波后，输入到PWM比较器的同相端，与振荡器产生的锯齿波电压相比较，产生脉宽调制信号并驱动MOSFET管，因而可通过控制极外接的电容充电过程来实现电路的软启动。当控制极电压Uc达到5.8V时，内部高压电流源关闭，此时由反馈控制电流向Uc供电。在正常工作阶段，由外界电路构成电压负反馈控制环，调节输出级MOSFET的占空比以实现稳压。当输出电压升高时，Uc升高，采样电阻RE上的误差电压亦升高。而在与锯齿波比较后，将使输出电压的占空比减小，从而使开关电源的电压减小。当控制极电压低于4.8V时，MOSFET管关闭，控制电路处于小电流等待状态，内部高压电流源重新接通并向Uc充电，其关断/自动复位滞回比较器可使Uc保持在4.8～5.8V之间。当开关电源的负载很轻时，能自动将开关频率从132kHz降低到30kHz(半频模式下则由66kHz降至15kHz)，可降低开关损耗，进一步提高电源效率。
二、由TOP247Y构成的多路开关电源原理
由TOP247Y构成的多路开关电源原理图见图2，其中输出三路200mA、15V的直流电，一路400mA、15V的直流电，以及1A、5V的直流电。多路电源用高频变压器获得多组电压输出，经快速恢复二极管、电容滤波后得到多路直流电源。
当电源输入交流85～265V时，交流电压U依次经过电磁干扰(EMI)滤波器(C1，L1)、输入整流滤波器(KBL406G，C2)获得直流高压UI。UI经过R1接L端，能使极限电流随UI升高而降低。它使用C3，VD型漏极钳位二极管P6KE200A和阻断二极管D1，以替代价格较高的TVS(瞬态电压抑制器)，用于吸收在TOP247Y关断时由高频变压器漏感产生的尖峰电压，对漏极起到保护作用。次级电压经过整流、滤波后获得多路输出。其中15V电源输出所用的是快速恢复二极管，其他输出用的二极管是肖特基二极管，其目的是减少整流管的损耗。
该电源采用3枚芯片，包括TOP247Y(U1)、光耦合器LTV817A，以及可调式精密并联稳压管LM431。为减小高频变压器体积和增强磁场耦合程度，次级绕组采用了堆叠式绕法。其稳压原理为，U=UR4+UZ+ULM431。当U发生变化时，如U增加时，流过光耦的电流增大，光耦输出的电流随着增大，流经TOP247Y控制端的电流增加，而占空比则减小，从而U下降，这样达到稳压的目的，反之U减小时也有相同的原理。
图2 由TOP247Y构成的多路开关电源原理图
可调精密稳压管LM431的内部参考电压为2.495V，输出电压经电位器和R7分压，可调电压在2.5V(基准值)至37V(最大值)之间。R6和C18构成LM431的频率补偿网络。C19为软启动电容。除5V电压外，其余各路输出未加反馈，输出电压均由高频变压器的匝数比来确定。R9～R12是15V输出的假负载，它能降低该路的空载及轻载电压。
另外，为了尽可能减少电磁干扰，在开关电源的输入侧接入共模扼流圈，可以明显改善电磁噪声。而安全电容C6能滤除一次、二次绕组耦合电容产生的共模干扰，电容C1可滤除电网线之间的串模干扰。
三、使用TOP247Y的注意事项
● 输入滤波电容C2的负极直接连反馈绕组，以便将反馈绕组上的浪涌电流直接返回到输入滤波电容，以提高抑制浪涌干扰的能力。
● TOP247Y控制端附近的电容应尽可能靠近源极和控制端的引端。S极与C、L、X端过通过一条独立的支路相连，不可共享一条支路。
● S、L、X端的引线与外围相关元件的距离也要尽可能短，并且远离漏极的支路要防止产生噪声耦合。
● 线路检测电阻R1应尽可能接近于L引脚。结 束 语
大学三年，是我人生的黄金时期，在这里，我学到了很多东西，不只是学业，还有为人处世方面的成熟。我想，如果没有这三年充实的大学生活，没有学校和老师对我的精心培养，我不可能如此顺利。在此，我向关心过我的老师和同学表示诚挚的谢意！
我希望，在以后的人生之路上，我将继续保持设计这份集成开关稳压电源时的那股认真的干劲的力争完美的决心，走出一条属于自己的阳光大道，开创一片属于自己的明媚天地，不负这三年的大学生活和学校的精心培育！
参 考 文 献：---
1．康华光、模拟电子技术基础[M]。武汉：高等教育出版社，1999年
2．阎 石、数字电子技术基础[M]。武汉：高等教育出版社，1999年
3．秦曾煌、电工技术基础[M]。哈尔滨：高等教育出版社，1999年
4．沙占友、单片开关电源最新应用技术[M]。北京：机械工业出版社，2006年
5．沙占友、单片开关电源外围电路设计[M]。北京：电子工业出版社，2003年
6．周志敏、周纪海、开关电源实用技术设计与应用[M]。北京：人民邮电出版社，2004年
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