新型高功率單片開(kāi)關(guān)模塊電源的設(shè)計(jì)

 1 性能特點(diǎn)與技術(shù)指標(biāo)

  單片開(kāi)關(guān)電源是國(guó)際上90年代才開(kāi)始流行的新型開(kāi)關(guān)電源芯片,但早期的單片開(kāi)關(guān)電源芯片普遍應(yīng)用于低功率的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。第三代單片開(kāi)關(guān)電源TOP GX系列IC是美國(guó)功率集成公司于2000年初推出的新型高功率單片開(kāi)關(guān)電源芯片,它除了保持TOP?SwitchⅡ的基本特性外,即在單一CMOS芯片上集成了功率MOSFET、PWM控制器、故障檢測(cè)及其它控制電路外,還集成了很多內(nèi)置的以及用戶可配置的功能;在單電壓輸入時(shí)的最大輸出功率提高到250W,電磁兼容性能也得到較大的提高。第三代單片開(kāi)關(guān)電源TOP GX系列IC的主要性能特點(diǎn)與技術(shù)指標(biāo)是:

 ?。?)TOPSwitch GX系列新增了如下內(nèi)置功能:

 ?、佘浧饎?dòng):其作用是降低開(kāi)啟時(shí)的超調(diào)以及對(duì)元器件的沖擊;

 ?、陬l率抖動(dòng):降低EMI的峰值;

 ?、圯^高的占空比允許更大的輸出功率和使用較小的輸入濾波電容;

 ?、芰阖?fù)載調(diào)節(jié)能力,輕載時(shí)很高的效率使得待機(jī)時(shí)的功耗很低;

 ?、轀筮^(guò)熱關(guān)斷使器件可自動(dòng)故障恢復(fù)。

 ?。?)TOPSwitch GX系列還增設(shè)了用戶可配置的引腳,用于檢測(cè)電網(wǎng)過(guò)、欠壓,外部設(shè)置電流限制以及兩種開(kāi)關(guān)頻率(132kHz和66kHz)的選擇。電網(wǎng)欠壓保護(hù)、過(guò)壓關(guān)斷,以及通過(guò)電路反饋電壓的取樣以降低輸出紋波和在高輸入電壓時(shí)最大限度地減小占空比。通過(guò)外部電流限制引腳可以精確地減小功率MOSFET的電流,廉價(jià)地實(shí)現(xiàn)高效率。

 ?。?)另外TOPSwitch GX系列還采用節(jié)約能源的ECOSMART技術(shù),該技術(shù)特別在待機(jī)及電源無(wú)負(fù)載條件下可以節(jié)約能源。降低能耗的功能包括遠(yuǎn)程ON/OFF功能,即通過(guò)遙控的方式控制電源的開(kāi)閉,亦可實(shí)現(xiàn)外同步;在低負(fù)載時(shí)自動(dòng)降低工作頻率。這些功能已超過(guò)美國(guó)“ENERGYSTAR”的標(biāo)準(zhǔn)。

  由于TOPSwitch GX系列具有以上諸多特點(diǎn),因而可廣泛用于中、低功率的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源中。它不僅電路簡(jiǎn)單,而且可靠性高,故在中、低功率電子設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用前景。

  2 管腳功能

  TOPSwitch GX系列的管腳排列如圖1所示,該系列有Y封裝和P、G封裝兩種結(jié)構(gòu)。從圖上看出:對(duì)于Y封裝的TOPSwitch?GX系列,其D、C、S管腳與原TOPSwitch系列開(kāi)關(guān)命名一樣,分別為漏極、控制極和源極,新增加的L、X、F管腳的功能如下:

  L:為輸入電壓的欠壓與過(guò)壓檢測(cè)端,同時(shí)還具有遠(yuǎn)程遙控功能。如圖2所示,若L端與輸入電壓正端接入2MΩ的電阻,則欠壓保護(hù)值為:

圖1 TOP GX系列開(kāi)關(guān)管腳圖

(a)TO?220 7C封裝(b)DIP 8B和SMD 8B封裝

圖2 Y封裝TOPSwitch GX系列電網(wǎng)電壓檢測(cè)電路

Vuv=Iuv×RL=100V(1)

  過(guò)壓保護(hù)值為:

Vov=Iov×RL=450V(2)

  此外L端還具有遠(yuǎn)程遙控功能,只要在L、C端之間加一個(gè)三極管或光電耦合器即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控功能。具體電路如圖3所示。

圖3 Y封裝TOPSwitch GX系列遠(yuǎn)程遙控電路

  X:為外部電流設(shè)定調(diào)整端。在X端與源極之間接入不同的電阻值,則開(kāi)關(guān)電流即限定為不同的數(shù)值。若R2=12kΩ,則流過(guò)開(kāi)關(guān)的電流被設(shè)定為額定值的69%;若R2=6kΩ,為額定值的90%;若R2=25kΩ,為額定值的43%??梢?jiàn),當(dāng)R2值增大時(shí),則開(kāi)關(guān)允許流過(guò)的電流要減小。

  F:為開(kāi)關(guān)頻率選擇端。當(dāng)F端接到源極時(shí),其開(kāi)關(guān)頻率為132kHz,當(dāng)接到控制端時(shí),其開(kāi)關(guān)頻率為66kHz。

  此外,TOPSwitch GX系列也可以當(dāng)一般的三端TOP器件使用,此時(shí)只要將L、X、F端同時(shí)與源極相接即可。但此時(shí)新增用戶可配置的功能全部喪失。

  對(duì)于P、G封裝的TOPSwitch GX系列開(kāi)關(guān)都沒(méi)有X、F端,而新增M端,其功能與Y封裝中的L端功能相同。

  3 120W、24V開(kāi)關(guān)電源模塊的電路設(shè)計(jì)

  3.1 設(shè)計(jì)要求

 ?。?)輸入電壓:85V~265VAC,50Hz;

 ?。?)輸出電壓:16V~24VDC;

 ?。?)輸出電流:5.0A;

 ?。?)電網(wǎng)調(diào)整率:±1%。

  3.2 設(shè)計(jì)步驟

  根據(jù)設(shè)計(jì)要求,現(xiàn)以圖4上的原理圖來(lái)說(shuō)明設(shè)計(jì)步驟。

圖4 120W、24V開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源原理圖

 ?。?)器件選擇

  根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇TOP248Y作為開(kāi)關(guān)器件。這時(shí)TOP248Y工作在輸出功率的上限,電流設(shè)定在最大值,即將X端直接與源極相連。而過(guò)壓值設(shè)定在450VDC,若輸入電壓超過(guò)此值,則TOPSwitch?GX將自行關(guān)斷,直到輸入電壓恢復(fù)正常值,TOPSwitch?GX又自行恢復(fù)啟動(dòng)。頻率選擇端F也與源極直接相連,此時(shí)開(kāi)關(guān)工作頻率設(shè)定在132kHz。

 ?。?)脈沖變壓器的設(shè)計(jì)要求

 

  脈沖變壓器的初級(jí)電感(即勵(lì)磁電感)Lm中的電流與電壓的關(guān)系近似為:Im=×τ(3)

  式中:UO為初級(jí)電感兩端的電壓;

  τ為開(kāi)關(guān)脈沖寬度。

  由式(3)可知:脈沖變壓器的初級(jí)電感值要適當(dāng),一般在300μH到3000μH之間。輸出功率大的情況應(yīng)取低限;反之則取上限。變壓器初級(jí)電感不能太小,太小會(huì)造成TOPSwitch?GX系列中MOSFET的漏極電流太大,使開(kāi)關(guān)損耗增加,同時(shí)易造成過(guò)流保護(hù)動(dòng)作,使電源難以啟動(dòng)。同樣初級(jí)電感也不能太大,太大則不能滿足輸出功率的要求。

(3)電源次級(jí)電路的設(shè)計(jì)

  次級(jí)電路主要是選擇整流管和濾波電容。整流管的選擇應(yīng)根據(jù)輸出電流和電壓,其最大值的選擇為:

IRLCmax2IO=2×5=10A(4)

VRLCmax(5)

n=×Dmin(6)

  式中:VO為輸出電壓;IO為輸出電流;Vinmax為最大輸入直流電壓;Dmin為開(kāi)關(guān)的最小占空比;n為脈沖變壓器的變比。

  將Vinmax=375V;VO=24V;Dmin=0.18代入式(6)得到脈沖變壓器的變比為:n≈4

  此時(shí)脈沖變壓器的初級(jí)勵(lì)磁電流為:Im==1.25A(7)

  此值遠(yuǎn)小于TOP248Y的漏極電流(7.2A)。

  電源次級(jí)整流管在低輸出電壓的情況下,一般采用肖特基二極管,用來(lái)減小二極管的損耗。當(dāng)輸出電壓較高時(shí),則需要采用快恢復(fù)二極管(如圖4中D2);當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí),應(yīng)采用超快恢復(fù)二極管作整流管,以減小其反向電流對(duì)初級(jí)的影響。

  濾波電容C7的容量應(yīng)滿足輸出電壓紋波的要求,L1及C8應(yīng)能有效地濾除開(kāi)關(guān)所產(chǎn)生的噪聲影響。

 ?。?)反饋調(diào)整電路的設(shè)計(jì)

  反饋調(diào)整電路采用光耦和可調(diào)三端穩(wěn)壓器TL431組成的調(diào)整電路,如圖4電路中的VR2、R5、R7、R10、R11和R6組成的輸出電壓調(diào)整電路。R5作為光耦的限流電阻,并不能影響電路的檢測(cè)環(huán)路的增益。在起動(dòng)瞬間,檢測(cè)光耦輸出電流,從而改變控制端C的電流,實(shí)現(xiàn)預(yù)調(diào)整,以確保電源在低電網(wǎng)電壓和滿載啟動(dòng)時(shí)達(dá)到規(guī)定的調(diào)整值。R9、C10、C11和R4、C4組成環(huán)路補(bǔ)償電路。

  4 設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題

  TOPSwitch GX系列開(kāi)關(guān)電源若設(shè)計(jì)得當(dāng),則較容易滿足設(shè)計(jì)要求;若設(shè)計(jì)不當(dāng),則會(huì)出現(xiàn)一些不正?,F(xiàn)象。在設(shè)計(jì)電源時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題:

 ?。?)因?yàn)殡娫吹妮敵龉β瘦^大,故要求脈沖變壓器的漏感應(yīng)盡可能小,特別是低壓大電流的情況下更應(yīng)如此。脈沖變壓器的初、次級(jí)繞組應(yīng)相間繞制。即使這樣,脈沖變壓器漏感中儲(chǔ)存的能量仍有可能超過(guò)瞬態(tài)抑制二極管VR1的功率容量,因而用R2、R3和C2與VR1并聯(lián),將漏感中的能量部分地?fù)p耗在R2、R3上,以保證VR1的工作可靠性;同時(shí)又將電壓鉗位在200VDC,使TOPSwitch GX在電源啟動(dòng)與過(guò)載條件下,確保器件內(nèi)部MOSFET的漏極電壓低于700VDC。

 ?。?)輸出濾波電容的等效串聯(lián)電阻應(yīng)盡可能的小,特別是在低壓大電流的情況下更應(yīng)如此,否則由于電容損耗增大而大大降低電源的可靠性。

  (3)光耦的出端應(yīng)靠近控制端C,控制端C的濾波電容應(yīng)靠近源極;另外多功能端L、X、F或M與源極連接線也應(yīng)盡可能短,同時(shí)要遠(yuǎn)離漏極,以減小電源噪聲。

  5 結(jié)語(yǔ)

  第三代TOPSwitch GX系列比第二代TOPSwitch系列增加了許多功能,同時(shí)輸出功率也有較大提高。實(shí)踐證明,用第三代TOPSwitch?GX系列設(shè)計(jì)單片開(kāi)關(guān)模塊電源,其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,抗干擾性能好,可靠性高,性價(jià)比高,故在中、低功率電子設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用前景。