高佳，倪懷洲，王旭光，萬國超，劉貴彬

(1.山東交通學(xué)院 a.軌道交通學(xué)院;b.交通與物流工程學(xué)院，山東 濟南 250357； 2.山東省電力公司泰安供電公司，山東 泰安 271000)

基于TOP227Y的多輸出單端反激式開關(guān)電源設(shè)計

高佳1a，倪懷洲1b，王旭光1a，萬國超2，劉貴彬2

(1.山東交通學(xué)院 a.軌道交通學(xué)院;b.交通與物流工程學(xué)院，山東 濟南 250357； 2.山東省電力公司泰安供電公司，山東 泰安 271000)

開關(guān)電源因其功耗以及體積等方面的優(yōu)勢在各行各業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。介紹了一種多路輸出單端反激式高頻輸出開關(guān)電源的設(shè)計，開關(guān)電源以TOP227Y芯片和高頻變壓器為核心，用單端反激式作為電路主拓撲結(jié)構(gòu)，調(diào)制方式為PWM調(diào)制，電路輸入電壓為220 V，輸出為5 V和15 V兩路直流電源。對于設(shè)計過程中遇到的問題進行了分析并提出切實解決方法。通過實際測試所得的數(shù)據(jù)表明，設(shè)計的開關(guān)電源能夠提高電源效率，減小紋波，輸出穩(wěn)定直流電源。

TM911/919；反激式；開關(guān)電源；高頻變壓器；PWM調(diào)制

0 引 言

直流開關(guān)電源核心為電力電子開關(guān)電路，適用功率范圍可從零點幾瓦到數(shù)十千瓦，采用占空比控制方法控制開關(guān)管的通斷，利用反饋控制來調(diào)節(jié)占空比，保證輸出穩(wěn)壓或輸出穩(wěn)流[1]。

本文提供的直流開關(guān)電源由TOPSwitch系列新型高頻開關(guān)電源集成芯片TOP227及相關(guān)外圍電路構(gòu)成。以單端反激式為電源電路主拓撲結(jié)構(gòu)，由脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation,簡稱PWM)控制實現(xiàn)DC/DC變換，調(diào)節(jié)占空比保證輸出電壓穩(wěn)定。

1 開關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)與原理

開關(guān)電源一般屬于高頻電子裝置，工作頻率目前在20 kHz到200 kHz。傳統(tǒng)的線性電源電路中，負載改變時無源元件承受的電流也隨之改變，突然增加負載或輸入電壓變化時，因無源元件所消耗功率的變化使整個系統(tǒng)損失的功耗增加。然而開關(guān)電源并不是工作在線性區(qū)域中，所以即使負載變化很大或輸入電壓范圍變化很大，其效率仍很高[2]。

開關(guān)電源的系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)圖1可知，其組成包括：輸入整流與濾波電路、高頻直流轉(zhuǎn)換器(DC-DC Converter)、脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制電路、輸出濾波網(wǎng)絡(luò)。如果考慮電磁干擾(EMI)，則可在電源輸入端加入線路濾波器(Line Fitter)[3]。

工作原理：交流電壓(AC)流經(jīng)輸入整流以及濾波電路得到近似直流(DC)的高電壓，再經(jīng)高頻直流轉(zhuǎn)換器將直流電壓轉(zhuǎn)換為接近方波的高頻電壓信號，此信號經(jīng)過一個高頻變壓器降低至所需的電位，最后經(jīng)過輸出濾波網(wǎng)絡(luò)可以得到穩(wěn)定直流輸出[4]。

TOP227Y芯片用反饋電流IC占空比D進行調(diào)節(jié)，使輸出穩(wěn)壓：當輸出電壓VO減小，反饋電路使電流IC降低，占空比D增加，升高輸出VO，保持輸出電壓VO穩(wěn)定[5]。

圖1 開關(guān)電源系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

2 反激式變換器

單端反激變換器電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要用于小功率電路。電路特點是反激變換中的變壓器不僅有變壓器隔離的作用還有電感的作用[6]。晶體管 Q 導(dǎo)通，變壓器的一次繞組會有一次側(cè)電流通過，并儲存能量；晶體管 Q 截止，儲存于變壓器的能量經(jīng)過二極管傳送給電容及負載。由于反激式變換器輸出端不需使用電感器，所以輸出端能及時跟隨輸入電壓以及負載變化進行調(diào)整，所以適宜多路輸出的場合[7]。

圖2 單端反激變換器電路結(jié)構(gòu)

3 開關(guān)電源設(shè)計

基于TOP227Y的單端反激式開關(guān)電源電路如圖3所示。電路的核心控制芯片是TOP227Y，TL431芯片為反饋電路提供基準電壓，光耦EL-817為反饋電路提供反饋信號。

圖3 多輸出單端反激式開關(guān)電源電路

3.1 開關(guān)電源適配器的電氣性能指標

(1)輸出電壓準確度——±1%；

(2)負載調(diào)整率——±3%；

(3)電壓調(diào)整率——≤3%；

(4)效率——85%；

(5)輸出紋波——≤1.5 V；

(6)紋波系數(shù)——≤10%；

(7)工作溫度——-35 ℃～+80 ℃；

(8)輸入電壓頻率——50(1±5%)Hz；

(9)輸入電壓范圍——220(1±15%) V；

(10)輸出電壓/電流——15 V/20 W、5 V/1 W；

3.2 反饋電路設(shè)計

如圖4所示，電源反饋部分中，反饋信號經(jīng)過以PC817為核心的線性光耦部分向TOP227Y提供控制電流；反饋電路的基準電壓由穩(wěn)壓管TL431來提供。

圖4 反饋控制電路

1)PC817的集電極電流Ic

PC817提供的控制電流Ic直接控制TOP227Y的占空比D，占空比D的計算公式[6]：

(1)

(2)

圖中傾斜直線部分可表示為：

(3)

可計算出光耦PC817三極管端電流IC。

圖5 TOP芯片IC與D的關(guān)系

2)關(guān)于TL431的幾個參數(shù)

由TL431的技術(shù)參數(shù)可知，兩端電壓Uka在2.5 V～37 V之間變化時，電流Ika在1 mA～100 mA之間變化，一般選取20 mA，能保證工作穩(wěn)定性，且能提供部分死區(qū)負載[8]。

查閱TL431技術(shù)手冊可知線性光耦TL431的陰極電流Ik范圍為1.0～100 mA；參考電壓Uref=2.5 V，輸入電流Iref：1.8 μA(典型值)和6.5 μA(最大值)[9]。所以R1、R2組成的分壓電路電流值遠大于該典型值，取10倍，UO/(R1+R2)≥10×1.8 μA，得：

(4)

取UO=15 V，則R1+R2≤833 kΩ；取UO=5 V，則R1+R2≤278 kΩ。選出R1+R2的值，然后根據(jù)UO=R2/(R1+R2)=2.5 V可得R1、R2的值。

在光耦EPC817二極管中，集電極電流Ic由占空比D決定，光耦側(cè)電流If由集電極電流Ic決定。反激式開關(guān)電源電路的占空比D一般不會超過0.5[10]，由(3)式可算出其值如表1所示。

集電極電流Ic一般取值在4.5 mA～5.8 mA之間，由此決定PC817二極管側(cè)電流If。PC817的傳輸曲線如圖6所示。由此可以看出上述Ic范圍對應(yīng)的If數(shù)值。

表1 Ic與D關(guān)系

由圖6可以看出占空比D的范圍為0.05～0.3(即IC范圍為4.5 mA～5.8 mA，PC817二極管側(cè)電流If大致在1.5 mA～2.5 mA，比Ik的1 mA～100 mA要小得多，所以在817的二極管兩端并聯(lián)電阻R4，對Ik分流，使TL-431的Ik相對增大，使PC817的If保持要求值。

(5)

(6)

既然TL431手冊給出了一些電壓和電流參數(shù)，在設(shè)計時應(yīng)該作為選擇元件的依據(jù)，現(xiàn)取UO=15 V；UAK=5 V>2.5 V，設(shè)Ic=5 mA，If=2 mA，PC817二極管電壓為ULED=1 V，If=2 mA超出了Ik最小值，不必并聯(lián)R4。由式(6)可得出：

(7)

根據(jù)前面的分析推導(dǎo)可得：

3.3 高頻功率變壓器的設(shè)計

3.3.1 初級電感匝數(shù)N1的確定

變壓器磁芯的確定：

(8)

Ae——截面積；

Ab——窗口面積；

Km——窗口填充系數(shù)(一般Km為0.2～0.4)；

Kc——磁芯填充系數(shù)(對鐵氧體，Kc=1)；

變壓器磁芯用黃白磁環(huán)，其中Ap=1.995 84, cm4?0.98 cm4，即可滿足設(shè)計要求。

10×10-6=0.765 mH

(9)

(10)

(11)

若選用D=33 mm，d=17 mm的黃白磁環(huán)，其截面積Ae=0.88 cm2，那么有

(12)

(單位：Ae為平方厘米；ΔB為高斯，取2 000高斯)

考慮到漏磁以及繞制工藝的問題，實際匝數(shù)要大于算得數(shù)值，初級選取50匝。

3.3.2 次級線圈匝數(shù)計算

3.3.3 輔助線圈匝數(shù)計算

3.4 電路調(diào)試過程中遇到的幾個問題及解決辦法

(1)TOP227過壓燒壞

在電路調(diào)試過程中，TOP管經(jīng)常燒壞，經(jīng)分析D-S兩端電壓可知，TOP芯片導(dǎo)通時加在TOP管兩端的電壓由于變壓器漏感，產(chǎn)生很大尖峰，如果尖峰電壓超過TOP管的承壓范圍時，TOP管會過壓損壞。解決方法是在變壓器初次側(cè)添加抑制器和二極管組成的抑制電路防止TOP開關(guān)管燒壞。

(2)輸出震蕩問題

輸出端產(chǎn)生高頻震蕩，此震蕩頻率跟開關(guān)管的開關(guān)頻率相同，幅度都為1 V左右。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)TL431兩端有電壓震蕩，其頻率與開關(guān)管開關(guān)頻率相同，經(jīng)分析是TL431沒有工作在正常范圍內(nèi)，所以不能提供基準電壓，導(dǎo)致TOP227的控制端C端電流時刻在改變，超過TOP芯片調(diào)節(jié)范圍，導(dǎo)致輸出震蕩。解決方法為調(diào)節(jié)與TL431串聯(lián)電阻的阻值，使431工作在正常范圍內(nèi)，此時能保證輸出穩(wěn)定。

4 實驗測試數(shù)據(jù)

經(jīng)試驗測試，此單端反激式開關(guān)電源輸入輸出電壓關(guān)系如表2所示。

表2 開關(guān)電源輸入、輸出電壓關(guān)系測試

由表可知，選定電路各元器件參數(shù)后，當輸入電壓在一定范圍內(nèi)波動時，反饋網(wǎng)絡(luò)能及時將輸出反饋給控制電路來控制脈沖寬度，保證電壓穩(wěn)定輸出，可見電路符合設(shè)計要求。

5 結(jié)束語

本文介紹了以TOPswitch芯片和高頻功率變壓器為核心制作的兩路輸出單端反激式開關(guān)電源電路，并介紹了設(shè)計過程中遇到的問題以及解決方法。該電源用于為單片機提供電源，經(jīng)實際驗證，電路設(shè)計符合設(shè)計指標要求，性能穩(wěn)定。

[1] 高佳.適用于LNG船舶的直流電源快速截流保護技術(shù)[D].山東:山東交通學(xué)院,2016.

[2] 李洋.汽車測試系統(tǒng)用隔離式開關(guān)電源研究[D].山東:山東科技大學(xué),2015.

[3] 周志敏,周紀海.開關(guān)電源實用技術(shù)設(shè)計與應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社,2004.

[4] 彭云華,黃土榮.反激式開關(guān)電源變壓器設(shè)計[J].電子設(shè)計工程,2014,22(9):31.

[5] 張帥，李俊剛，王興.開關(guān)電源設(shè)計[J].科技資訊，2011,3(34):82.

[6] 李夢奇.開關(guān)電源中光耦合器故障監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[D].廣東:華南理工大學(xué),2013.

[7] 潘亞培.基于DSP的高頻開關(guān)電源設(shè)計與實現(xiàn)[D].南京:南京理工大學(xué),2013.

[8] Vorperian.Simplified analysis of PWM converters using model of PWM switch-Patti:Continuous conduction mode[J].IEEE Trans.Aerospace Electron.Syst,2000,26(5):55-56.

[9] 張維.單端反激式開關(guān)電源研究與設(shè)計[D].西安:西安電子科技大學(xué),2011.

[10] JIANG XIAOMEI, RUI YANNIAN, CHEN GUOQIANG, et al.Restraining DC magnetic bias in PS-PWM full bridge inverter of plasma power[J]. Intelligent System Design and Engineering Application,2010 International Conference on, Oct,2010,(2): 13-14.

TOP227Y-based Design of Multi-output, Single-ended & Fly-back Switching Power Supply

Gao Jia1a,Ni Huaizhou1b,Wang Xuguang1a, Wan Guochao2, Liu Guibin2

(1.Shan Dong Jiao Tong University a. Rail Transit College; b. Transportation and Logistics Engineering College, Jinan Shandong 250357 China;2. Taian Power Supply Company of Shandong Power Company，Taian Shandong 271000,China)

Switching power supply has been widely used in all walks of life due to its advantages in power consumption and size. This article introduces a design of multi-output, single-ended & fly-back switching power supply with high-frequency output. Switching power supply takes TOP227Y chip and high-frequency transformer as the core and adopts single-ended fly-back as the main topology for the circuit. It adopts PWM for modulation system, 220 V for circuit input voltage, 5 V and 15 V DC power supply for two outputs. For the problems encountered in the design process, practical solutions are put forward through analysis. The data obtained via actual test show that the design of the switching power supply can increase power supply efficiency, reduce ripple while the output of DC power supply is stable.

TOP227Y；fly-back type；switching power supply；high-frequency transformer；PWM modulation

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.05.013

TM911/919

A

1000-3886(2016)05-0038-04

高佳(1988-)，女，山東新泰人，山東交通學(xué)院，碩士生，研究方向：船舶電子電氣。

定稿日期: 2016-03-20