侯曉云

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基于TOPSwitch的反激式DC/DC變換器設(shè)計(jì)

侯曉云

(衡水學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，河北 衡水 053000)

開(kāi)關(guān)電源以其體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)等各類(lèi)電子設(shè)備中，小型化是其發(fā)展趨勢(shì)之一．DC/DC變換器是開(kāi)關(guān)電源的核心部分．設(shè)計(jì)了一種基于TOPSwitch的反激式DC/DC變換器，主要包括主電路、控制電路、反饋電路等部分．對(duì)電路進(jìn)行了制作與測(cè)試．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電路輸出電壓穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積較小、簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程．

反激式；TOPSwitch；DC/DC變換器

在生產(chǎn)生活中常常用到直流穩(wěn)壓電源．由于直流電源的設(shè)計(jì)包括模擬、數(shù)字電路設(shè)計(jì)、功率開(kāi)關(guān)管選取、電感繞制、控制電路、反饋電路設(shè)計(jì)等一系列問(wèn)題，故設(shè)計(jì)過(guò)程較為復(fù)雜．美國(guó)PI公司生產(chǎn)的TOPSwitch-GX系列芯片將功率開(kāi)關(guān)管MOSFET與控制電路合為一體，并具有過(guò)壓、欠壓保護(hù)等功能，從而使外圍電路更加簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)化了直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)過(guò)程，是目前設(shè)計(jì)反激式DC/DC變換器的理想選擇[1]．

1 反激式DC/DC變換器基本工作原理

當(dāng)變壓器的初級(jí)線(xiàn)圈被直流電壓激勵(lì)時(shí)，變壓器的次級(jí)線(xiàn)圈不向負(fù)載提供功率輸出，而僅在變壓器初級(jí)線(xiàn)圈的激勵(lì)電壓被關(guān)斷后才向負(fù)載提供功率輸出，這種變換器稱(chēng)為反激式DC/DC變換器，見(jiàn)圖1．

圖1 反激式DC/DC變換器

圖1中K1為高速開(kāi)通、關(guān)斷的開(kāi)關(guān)管，K1被控制脈沖激勵(lì)而導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓Ui便施加到高頻變壓器T的原邊繞組上．由于變壓器T副邊的整流二極管D反接，因此副邊繞組沒(méi)有電流流過(guò)；當(dāng)K1截止時(shí)，副邊繞組上的電壓極性顛倒，D正偏，K1導(dǎo)通期間儲(chǔ)存在T中的能量便通過(guò)D向負(fù)載釋放．在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間變壓器儲(chǔ)存能量，在開(kāi)關(guān)管截止期間才向負(fù)載傳遞能量．高頻變壓器可以實(shí)現(xiàn)輸入與輸出部分的電氣隔離，在工作中除了起變壓作用外，還相當(dāng)于一個(gè)儲(chǔ)能用的大電感．

2 基于TOPSwitch的反激式DC/DC變換器設(shè)計(jì)

主要設(shè)計(jì)指標(biāo)：

直流輸入電壓i= 55 ~ 65 V；直流輸出電壓o= 6 V；輸出電流o= 2 A；工作頻率= 132 kHz；最大占空比max= 0.4；電壓調(diào)整率≤ 1.5 %；負(fù)載調(diào)整率≤ 1.5 %．

2.1 主電路設(shè)計(jì)

在反激式DC/DC變換器主電路設(shè)計(jì)中，變壓器設(shè)計(jì)是主要部分，設(shè)計(jì)步驟如下．

1) 選擇磁芯

根據(jù)工作頻率和功率，選擇EI28磁芯，e= 86 mm2．

2) 計(jì)算變壓器一次峰值電流

假定電源變換器的最大占空比max= 0.4，變壓器一次峰值電流為．

3) 計(jì)算反射電壓

4) 計(jì)算變壓器的一次電感量

5) 計(jì)算一次繞組匝數(shù)

6) 計(jì)算二次繞組匝數(shù)

7) 計(jì)算輔助繞組匝數(shù)

為使光耦實(shí)現(xiàn)正常反饋，輔助繞組匝數(shù)c=8匝．

8) 漆包線(xiàn)選擇

選取電流密度= 3 A/mm2，則初級(jí)、次級(jí)所用漆包線(xiàn)面積分別為S= 0.15 mm2和S= 0.5 mm2．則初次級(jí)所需漆包線(xiàn)直徑分別為d= 0.44 mm和d= 1.13 mm．

所以，變壓器初級(jí)選擇= 0.4 mm的漆包線(xiàn)，次級(jí)選擇兩根= 0.6 mm的漆包線(xiàn)并繞，輔助繞組選擇= 0.4 mm的漆包線(xiàn)．

2.2 反饋控制電路設(shè)計(jì)

1) 控制電路

TOPSwitch-GX系列是美國(guó)Power Integrations(PI)公司開(kāi)發(fā)的新型開(kāi)關(guān)電源芯片，以高性?xún)r(jià)比將高壓MOSFET、PWM控制器、故障自動(dòng)保護(hù)功能及其它控制電路集成到一個(gè)硅片上，被廣泛應(yīng)用到開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源中．TOPSwitch-GX還集成了多項(xiàng)新功能，可以降低系統(tǒng)成本，提高了設(shè)計(jì)靈活性及效率．它不僅電路簡(jiǎn)單，而且可靠性高，具有廣闊的應(yīng)用前景．因此，本設(shè)計(jì)中選用TOP244控制芯片．

芯片中C為控制引腳，將次級(jí)輸出電壓信號(hào)反饋接入C腳．D為漏極引腳，與變壓器初級(jí)相連．S為源極引腳，是功率MOSFET的源極連接點(diǎn)，也是初級(jí)控制電路的公共點(diǎn)及參考點(diǎn)．X為外部流限引腳，是外部流限調(diào)節(jié)、遠(yuǎn)程開(kāi)/關(guān)控制和同步的輸入引腳，連接至源極引腳則禁用此引腳的所有功能．L為線(xiàn)電壓檢測(cè)引腳，作為過(guò)壓、欠壓保護(hù)等功能輸入引腳，連接至源極引腳則禁用此引腳的所有功能．F為頻率管腳，用于選擇開(kāi)關(guān)頻率的輸入腳，將其連接至源極管腳S，開(kāi)關(guān)頻率確定為132 kHz[2]．

2) 反饋電路

反饋電路設(shè)計(jì)采用精密電壓基準(zhǔn)TL431和光電耦合器PC817配合實(shí)現(xiàn)．首先，取1= 470 Ω，根據(jù)TL431原理，3、4、o、r滿(mǎn)足關(guān)系．其中，o為輸出電壓，r為參考電壓2.50 V．令4＝5 kΩ，則．整體電路圖見(jiàn)圖2．

圖2 基于TOPSwitch的反激式DC/DC變換器

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

負(fù)載電流固定為2 A．輸入電壓為55 V時(shí)，輸出電壓為O1= 5.95 V；輸入電壓為65 V時(shí)，輸出電壓為O2= 6.03 V．電壓調(diào)整率為．

輸入電壓固定為60 V．負(fù)載電流為2 A時(shí)，輸出電壓為O1= 5.99 V；負(fù)載電流為1 A時(shí)，輸出電壓為O2= 5.90 V．負(fù)載調(diào)整率為．

4 結(jié)語(yǔ)

采用TOPSwitch-GX芯片設(shè)計(jì)的反激式DC/DC變換器，能夠滿(mǎn)足各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，并且與用分立元件設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源相比，功率開(kāi)關(guān)管MOSFET與控制電路集成在同一芯片內(nèi)，外圍電路更為簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)過(guò)程得以簡(jiǎn)化．

[1] 付登萌,陶生桂.基于TOPSwitch的反激式DC/DC電源設(shè)計(jì)[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2004,32(5):680-684.

Design of Flyback DC/DC Converter by Using TOPSwitch

HOU Xiao-yun

(College of Electronic Information Engineering, Hengshui University, Hengshui, Hebei 053000, China)

SMPS is widely applied in computers and other electric equipment, the advantage of which is its small size and high efficiency. The development trend of it is miniaturization. DC/DC converter is the core part of SMPS. A Flyback DC/DC converter using TOPSwitch is designed. Main circuit, control circuit and feedback circuit designs are included. The circuit is manufactured and tested. The experimental results show the output voltage is stable, the circuit is simple, the size is small and the design process is simplified.

Flyback; TOPSwitch; DC/DC converter

(責(zé)任編校：李建明 英文校對(duì)：李玉玲)

10.3969/j.issn.1673-2065.2015.01.008

TN402

A

1673-2065(2013)04-0026-03

2014-05-04

侯曉云(1984-)，女，河北衡水人，衡水學(xué)院電子信息工程學(xué)院講師，工學(xué)碩士．