本文主要對(duì)該設(shè)計(jì)的基本原理、主電路、和控制電路做出主要的分析。

一、基于TOPSwith單片機(jī)開關(guān)電源的基本原理

TOPSwitch( Three - terminal Off - line PWM Switch) 單片開關(guān)電源是美國(guó)PI ( Power Integration ) 公司于上世紀(jì)90 年代中期推出的新型高頻開關(guān)電源芯片,它僅用了3 個(gè)管腳就將脫線式開關(guān)電源所必需的具有高壓N 溝道功率MOS 場(chǎng)效應(yīng)管、電壓型PWM 控制器、100 kHz 高頻振蕩器、高壓?jiǎn)?dòng)偏置電路、基準(zhǔn)電壓、用于環(huán)路補(bǔ)償?shù)牟⒙?lián)偏置調(diào)整器、誤差放大器和故障保護(hù)功能塊等全部集成在一起了。采用TOPSwitch 器件的開關(guān)電源與分立的MOSFET 功率開關(guān)及PWM 集成控制的開關(guān)電源相比,具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、成本低廉、性能穩(wěn)定、制作及調(diào)試方便,自保護(hù)完善等優(yōu)點(diǎn)。

TOPSwitch系列單片開關(guān)電源的典型應(yīng)用電路如圖1所示。高頻變壓器在電路中具備能量存儲(chǔ)、隔離輸出和電壓變換這三大功能。由圖可見，高頻變壓器初級(jí)繞組Np的極性(同名端用黑圓點(diǎn)表示)，恰好與次級(jí)繞組Ns反饋繞組Nf的極性相反。這表明在TOPSwitch導(dǎo)通時(shí)，電能就以磁場(chǎng)能量形式儲(chǔ)存在初級(jí)繞組中，此時(shí)VDz截止。當(dāng)TOPSwitch截止時(shí)，VD2導(dǎo)通，能量傳給次級(jí)，此為反激式開關(guān)電源的特點(diǎn)。圖中，BR為整流橋，CIN為輸入端濾波電容。交流電壓u經(jīng)過整流濾波后得到直流高壓yt，經(jīng)初級(jí)繞組加至TOPSwitch的兩極上。鑒于在TOPSwitch關(guān)斷時(shí)刻，由高頻變壓器溺感產(chǎn)生的尖峰電壓，會(huì)疊加在直流高壓Ui和感應(yīng)電壓Uor上，可使功率開關(guān)管的漏極電壓超過700v而損壞芯片；為此在初級(jí)繞組兩端必須增加漏極鉗位保護(hù)電路。鉗位電路由瞬態(tài)電壓抑制器或穩(wěn)壓管(VDz1)、阻塞二極管(VDl)組成，VDl宜采用超快恢復(fù)二極管(SRD)。VD2為次級(jí)整流管，Cout是輸出端濾波電容。

 

 

 

圖1 TOPSwitch系列單片機(jī)開關(guān)電源的典型應(yīng)用電路
 

該電源采用配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路。反饋繞組電壓經(jīng)過VD3、CF整流濾波后獲得反饋電壓UFB，經(jīng)光耦合器中的光敏三極管給TOPSwitch的控制端提供偏壓。CT是控制端c的旁路電容。設(shè)穩(wěn)壓管VDz2的穩(wěn)定電壓為Uz2，限流電阻R1兩端的壓降為UR，光耦臺(tái)器中LED發(fā)光二極管的正向壓降為UF，輸出電壓Uo由下設(shè)定：Uo=Uz2+UF+UR。

該電源的穩(wěn)壓原理簡(jiǎn)述如下；當(dāng)由于某種原因(如交流電壓升高或負(fù)載變輕)致使Uo升高時(shí)，因UZ2不變，故UF就隨之升高，使LED的工作電流IF增大，再通過光耦合器使了TOPSwitch比h的控制端電流Ic增大。但因TOFsw比D的輸出占空比D與Ic成反比，故D減小，這就迫使Uo降低，達(dá)到穩(wěn)壓目的。反之，Uo↓UF↓IF↓Ic↓D↑Uo↑，同樣起到穩(wěn)壓作用。由此可見，反饋電路正是通過調(diào)節(jié)TOPSwitch的占空比，使輸出電壓趨于穩(wěn)定的。

二、主電路的實(shí)現(xiàn)
以下是正激式DC-DC變換器
 

 

圖2 正激式DC-DC變換器
 

1、輸入電路

保險(xiǎn)絲F1、一次整流和低通濾波兩部分組成。一次整流部分采用單相橋式整流電路，選用的元器件為二極管，如圖2所示為D5、D7、D8、D10。

2、復(fù)位電路

二極管D3，D4變壓器繞組Nr構(gòu)成復(fù)位電路，防止變壓器的激磁電感飽和。

3、導(dǎo)向電路和續(xù)流電路

在圖2中，D6是有兩個(gè)彼此反向的二極管串聯(lián)而成的。與變壓器同名端相連接二極管是導(dǎo)向二極管，與非同名端連接的是續(xù)流二極管，變壓器T1副邊的兩個(gè)二極管與變壓器T2一次繞組可構(gòu)成TOP管開通后的二次整流電路（由二極管導(dǎo)向）和TOP管關(guān)斷后的續(xù)流電路。設(shè)計(jì)中選擇的D6型號(hào)為 MBR20100。

變壓器T1主要參數(shù)和繞制方法如下：

a)骨架磁心為EI33；磁心有效橫截面積Ae=1.18cm^2。
b)匝數(shù)比為n=100/6，其中Np=25匝,Nr=75匝,Nm=6匝*3（6匝，每匝3股）。
c)采用三明治繞法，不需要?dú)庀丁?br />
4、變壓器T2主要參數(shù)如下：

1)骨架磁心為EI25，磁心有效橫截面積Ae=0.4cm^2。
2) 匝數(shù)比為n=15/12，其中N1=15匝*4（15匝，每匝4  股），N2=12匝。
3）一般繞法。
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三、控制電路

1、反饋電路的選擇

本設(shè)計(jì)采用的反饋電路如圖3所示

 

圖3 配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路
 

該電路時(shí)穩(wěn)壓管的光耦反饋電路，由VDZ提供參考電壓UZ，當(dāng)Uo發(fā)生波動(dòng)時(shí)，在LED上可獲得誤差電壓。因此，該電路相當(dāng)于給TOPSwitch增加一個(gè)外部誤差放大器，再與內(nèi)部誤差放大器配合使用，即可對(duì)Uo，進(jìn)行調(diào)整。這種反饋電路能使負(fù)載調(diào)整率達(dá)到土1％以下。

光耦反饋電路實(shí)際由兩部分構(gòu)成：
① 由反饋繞組NF、高頻整流濾波器構(gòu)成的非隔離式反饋電路，反饋電壓UFB為光敏三極管提供偏壓；
② 由取樣電路、外部誤差放大器、光耦合器構(gòu)成的隔離式反饋電路，它將U。的變化量直接轉(zhuǎn)換成控制電流Ic。其中，UFB基本不受交流輸人電壓u變化的影響，而Ic則與Uo變化有關(guān)。僅當(dāng)u寬范圍變化而負(fù)載穩(wěn)定時(shí)Ic才與△U有關(guān)。

2、放大過程的選擇

該誤差放大器，如圖4所示，極為特殊，它不同于普通的誤差電壓放大器，并且只有一個(gè)輸入控制端。當(dāng)輸出電壓發(fā)生波動(dòng)且變化量為△Uo時(shí)，通過取樣電阻分壓之后，就使TL431的輸出電壓UK也產(chǎn)生相應(yīng)的變化量，進(jìn)而使LED的工作電流IF改變，最后通過控制端電流Ic的變化量來(lái)調(diào)節(jié)占空比D，使Uo產(chǎn)生相反的變化，從而抵消了△Uo的波動(dòng)。上述穩(wěn)壓過程亦可歸納成:
UO↑UK↓IF↑IC↑D↓Uo↓最終使Uo不變。

圖4 誤差放大電路
 

3、TOPSwitch-GX系列單片開關(guān)電源的選擇

ToPswith-GX是高性價(jià)比的單片開關(guān)電源。以下是固定輸入時(shí)PD與η、Po的關(guān)系曲線：
TOPSwitch—Gx系列產(chǎn)品在固定輸入條件下，當(dāng)uo＝十12V時(shí)，芯片功耗(PD)與電源效率η)、輸出功率(Po)的關(guān)系曲線，分別如圖3.2.1所示。現(xiàn)規(guī)定以下條件：開關(guān)頻率f＝132kHz；交流輸人電壓u＝230v±15%；輸入濾波電容CIN的容量按1uF／w的比例系數(shù)選??；感應(yīng)電壓UOR＝135v：捅極鉗位電壓UB＝200V。

圖5芯片功耗(PD)與電源效率η)、輸出功率(Po)的關(guān)系曲線
 

漏極鉗位電路中可以并聯(lián)上Rc網(wǎng)絡(luò)，以減少瞬態(tài)電壓抑制器的損耗；輸出整流管采用肖持基二極管，5v輸出時(shí)肖特基二極管的正向壓降為0.45V、反向 耐    壓為45V，12v輸出時(shí)分別為0.54v、100v;TOPSwitch在額定輸出時(shí)的最高結(jié)溫TJMAX＝100℃(僅Y封裝為110℃)。圖中，橫坐標(biāo)代表Po縱坐標(biāo)代表η所給出的八條實(shí)線依次為電源效率，虛線則表示芯片功耗的等值線。若要使用陰影區(qū)內(nèi)的曲線部分，應(yīng)選更大功率的輸出整流管并增加濾波電容的容量，此時(shí)電源效率會(huì)降低些。由于該設(shè)計(jì)的開關(guān)電源是固定輸入，輸出為12v、30w：從圖5可以看出，當(dāng)Po=30w可選TOP243、TOP244，用TOP243時(shí)效率83.8%，功耗1.3w；用TOP244時(shí)效率84.9%，功耗1w；鑒于價(jià)錢相差不大，考慮用了TOP244。

4、漏極保護(hù)電路的選擇

鑒于在功率MOSFET關(guān)斷的瞬間，高額變壓器的漏感會(huì)產(chǎn)生尖郵電壓UL,另外在Np上還臺(tái)產(chǎn)生成應(yīng)電壓(即反向電動(dòng)勢(shì))UOR，二者登加在直流楊入電壓UI上。在典型情況下，UIMAX＝380V，UL≈165V，UOB＝135V，即UIMAX十UL十UOB≈680v。這就要求功率MOSFET至少應(yīng)能承受700v的高壓，即U(BR)DS≥700v，同時(shí)還必須在漏極增加鉗位電路，用以吸收尖均電壓，保護(hù)功率MOSPET不受損壞。鉗位電路由VD1、R3、C1組成，VD1選用反向耐壓為1000V的快速高效整流二極管HER108。當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，NP的電壓極性上端為正，下端為負(fù)，使VDl截止，鉗位電路不起作用。在MOSFET截止瞬間，NP變?yōu)橄露藶橹?，上端為?fù)，此時(shí)VDl導(dǎo)通，尖峰電壓就被R12、R9和C11吸收掉。如圖6所示：

圖6 漏極保護(hù)電路
 

四、總結(jié)

設(shè)計(jì)完畢后，會(huì)做一些試驗(yàn)，這里只告訴大家做了哪些試驗(yàn)，可以做空載試驗(yàn)，和帶金屬負(fù)載試驗(yàn)。大家可以根據(jù)自己動(dòng)手的情況好好體會(huì)該設(shè)計(jì)的獨(dú)特之處。