高稳定度小功率开关稳压电源的实验研究
摘要:卢守平张驰哈尔滨工程大学&nbs...
卢守平 张驰 哈尔滨工程大学
摘要:本文通过对美国功率集成公司Topswitch-Ⅱ的设计,给出了一输入电压范围宽、高负载稳定度的开关稳压电源设计电路。对由Topswitch-Ⅱ实现的开关电源进行了技术数据测试,并提出了性能改进的措施。
叙词:开关电源 电流调整率 Topswitch-Ⅱ
1.引言
小功率开关稳压电源(AC-DC)的工作方式有多种,其中以开关电源的主要元件功率开关的工作方式可分为它激、自激驱动两种方式。由于它激驱动工作方式优于自激的工作方式,因此在开关电源中一般多采用它激驱动的工作方式。采用它激驱动功率开关的驱动芯片种类有许多种,按PWM工作方式又可分为电压型、电流型,按驱动输出方式又可分为单端和双端输出。现在以单端反激工作方式的开关稳压电源一般多采用以UC3842芯片作为功率开关的驱动电路。UC3842是美国UNI-TROD公司生产的高性能电流型单端集成控制器,它是实时取变化的电感电流来反映输入电压的变化,是一双环控制型集成控制器。因此它可以提供较好的电源品质。但人们在实践中发现由UC3842电流型单端集成控制器所实现的电源品质越高,电源电路设计的越加复杂,电源的成本也随之提高。近年来,随着半导体集成制造技术的迅猛发展,美国功率集成公司推出了第一代、第二代单片三端集成功率模块,这种功率模块把功率MOS的驱动电路和高压功率MOS开关复合在一起,电路功能多、保护环节全。Topswitch-II(Top223)就是美国功率集成公司的第二代功率模块的代表之一,由它设计实现的电源不需要更多的外围元件,使电源设计简单、调试容易、且性能优良。
本文将就Topswitch-II主要工作原理做一介绍,给出了电源设计电路和技术数据测试。
2.Topswitch-Ⅱ内部结构及原理
2.1 Topswitch-Ⅱ内部结构
Topswitch-II是设计周密的电源模块,它的内部有:①控制电压源②带隙基准电压③震荡器④并联调整误差放大器⑤脉宽调制器⑥门驱动级和输出⑦过流保护电路⑧过热保护及上电复位电路⑨关断/自动重启动电路⑩高压电源。 .
Topswitch-II内部结构见图1。
2.2 Topswitch-Ⅱ主要原理
Topswitch-II功率集成器基本原理是利用反馈电流IC,来调节调节驱动功率开关的PWM脉冲占空比D,从而达到稳压目的。例如由于某种原因使电源输出电压Vo↑-IC↑-D↓- Vo
Topswitch-ll功率集成器,它的外部结构共三个引脚,分别为控制端C,源极端S,漏极端D。其中控制端C有四个作用:
(1)利用控制电流IC。的大小来调节占空比D,当控制电流IC从6mA减到2mA时,占空比就由1.7%增加至67%.K=△D/△IC=(1.7—67)%/(6.0—2.0)=16%/mA。
(2)它与内部并联调整器/误差放大器相连,能为芯片提供正常工作电流。
(3)为电源支路和自动启动/补偿电容的连接点.通过外接旁路电容来决定自启动频率。
(4)对控制回路进行补偿,其典型电压值为5. 7V.极限为9V。最大ICM=100mA。
3.6V、2.5A(AC—DC)稳压电源的设计
3.1设计思路 ·
本电源是基于Topswitch—II前提设计的小功率开关稳压电源。一个电源的设计中抑制电磁干扰和电源具有较好的电磁兼容性是保证电源稳定、可靠工作的关键。鉴于以上问题这里主要从以下几方面考虑。
(1)防止电网对电源的电磁干扰和开关电源对电网的污染。在电源输入端采用了LCR电路,LCR回路具有双向抑制作用,以防止对称和非对称干扰。
(2)防止输出回路对电源自身的电磁干扰,保证电源可靠工作.在电源输出端反馈系统采用了由线性光耦4N26和可调式精密并联稳压器TL431构成的反馈系统。
(3)高频变压器的工作方式采用单端反激式。
基于上述考虑本设计的开关电源电路原理图如图2所示。
3.2电源的稳压原理
当电源输出Vo升高时,可调式精密并联稳压器TL431的R端电压升高,流过线性光耦4N26的IF增加.使流人Top223C的电流IC增加。IC与Topswitch-II功率开关驱动脉冲宽度D成反比,至使驱动脉冲宽度D减少,功率开关导通时间变小,使输出电压Vo下降,从而达到输出电压Vo稳定。当输出电压Vo下降时,将引起上述相反的结果。
3.3高频变压器设计与绕制
(1)高频变压器设计,主要考虑在满足输出功率的基础上防止变压器出现饱和现象。在设计时要考虑留有足够△B的余量,关于高频变压器的设计计算在许多文章中都有介绍,这里就不再叙述了.
(2)在变压器的绕制上,应注意从减少漏感考虑,应先绕一半初级线圈,再绕次级及反馈线圈,最后绕剩下的一半初级线圈,这样绕制的高频变压器实际效果较其他绕制方式要好。
4.电源技术数据的测试
4.1负载调整率
当电网电压220V、输出电压Vo为6V时、负载电流由30mA变化至2.5A时,输出电压Vo变化范围小于1%。
4.2电压调整率
当输出电压Vo为6V、负载电流为2.5A时,电网电压由85V~242V时,输出电压Vo小于0.5%。
4.3输出交流纹波电压
测试设备采用日本菊水公司生产的cos5020示波器,实际测试输出交流纹波小于30mV。 ·
4.4电源效率
电源实测效率近74%。
5.结语
(1)基于Topswitch—11设计实现的开关稳压电源,可见具有外围元件少,调试容易,电压调整率、电流调整率接近线性电源的品质,但其效率却是线性电源2倍多。
(2)此电源具有良好的过载保护能力,在设计调试中做过多次过载实验,一旦过载去掉,电源仍能正常工作。
(3)在滤去箱出纹波方面,由于高频变压器次级线圈的匝数较少,线圈等效的滤波电感小,为获得更好滤去纹波的效果,在整流后加一小电感,可使输出纹波减少比较明显。
参考文献
[1]沙占友主编.新型单片机开关电源的设计与应用,北京电子工业出版社,2001.6.
[2]李爱文等主象现代逆变技术及其应用,科学出版社.2000.1.
[3]马金龙等主编.用Topswitch集成块设计开关电源.自动化博览2000.(2):15—17.
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