基于TOP247Y的電機(jī)伺服系統(tǒng)用多路開關(guān)電源設(shè)計(jì)

李 君，曾岳南

（廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，廣東 廣州510006）

0 引 言

本文介紹了一種多路輸出的單端反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法，該電源主要是為功率開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電路以及系統(tǒng)控制板提供穩(wěn)定可靠的電壓。所設(shè)計(jì)的開關(guān)電源由美國(guó)公司（Power Integration Inc）開發(fā)的TOP Switch－GX系列新型智能高頻開關(guān)電源集成芯片及其外圍電路構(gòu)成。采用PWM控制實(shí)現(xiàn)DC／DC變換，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比來(lái)保證輸出電壓的穩(wěn)定。

1 TOPSwitch－GX系列的性能特點(diǎn)

TOPSwitch－GX系列芯片是Power Integrations公司在第三代單片開關(guān)電源TOPSwitch－FX的基礎(chǔ)上推出的第四代開關(guān)電源芯片。與TOPSwitch－FX相比，TOPSwitch－GX系列產(chǎn)品有如下優(yōu)點(diǎn)：① 輸出功率擴(kuò)展到290 W；②新增加了線路檢測(cè)端（L）和從外部設(shè)定極限電流端（X）這兩個(gè)引腳，用來(lái)代替TOPSwitch－FX的多功能端（M）的全部控制功能，使用更加靈活、方便；③ 更寬的占空比，使得輸出功率更大、輸入電容器更小；④Y／R／F型封裝有分開的線路檢測(cè)端與電流限制端；⑤ 線路前饋縮小了最大占空比DMAX，以抑制脈動(dòng)紋波，并在電網(wǎng)電壓較高時(shí)限制DMAX；⑥ 最大工作頻率提高到132 k Hz，減少了變壓器和電源的尺寸；⑦ 當(dāng)開關(guān)電源的負(fù)載很輕時(shí)，能自動(dòng)將開關(guān)頻率從132 k Hz降低到30 k Hz（半頻模式下則由66 k Hz降至15 k Hz），可降低開關(guān)損耗，進(jìn)一步提高電源效率；⑧ 采用較先進(jìn)的節(jié)能的EcoSmart集成電路技術(shù)，顯著降低了功耗，在110 V AC時(shí)為80 m W，在230 V AC時(shí)為160 m W。

2 開關(guān)電源設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

交流輸入電壓最小值umin＝85 V，交流輸入電壓最大值umax＝265 V，電網(wǎng)頻率f＝50 Hz，控制芯片開關(guān)頻率f＝132 k Hz，輸出電壓、電流U01＝U02＝U03＝U04＝15 V提供四路獨(dú)立電源為功率器件提供驅(qū)動(dòng)電壓，U05＝15 V、U06＝－15 V、U07＝5 V為驅(qū)動(dòng)板及控制板芯片提供供電電壓。I01＝I02＝I03＝0.3 A，I04＝0.5 A，I05＝I06＝0.5 A，I07＝2 A，輸出功率P：P01＝P02＝P03＝4.5 W ，P04＝P05＝ P06＝7.5 W，P07＝10 W，POUT＝4.5×3＋7.5×3＋10＝46 W，電源效率η＝80%。

2.2 計(jì)算直流側(cè)最小最大輸入電壓

濾波電容的CIN值可根據(jù)輸出功率按照3μF／W來(lái)取值，取CIN＝3×46μF＝138μF。再考慮余量后，取CIN＝150μF。令整流橋的響應(yīng)時(shí)間tc＝3 ms，直流輸入電壓最大值UImax，最小值UImin可由下式計(jì)算得：

2.3 根據(jù)U Imin和U OR來(lái)確定最大占空比D max

2.4 計(jì)算初級(jí)峰值電流

IAVG＝0.625 A，初級(jí)峰值電流IP：

2.5 確定TOPSwitch－GX芯片型號(hào)

由前面計(jì)算數(shù)據(jù)，根據(jù) TOP240－250資料：TOP246Y／R／F（TJ＝25℃）時(shí)，ILIMIT＝2.511 A，所以可選TOP246以上型號(hào)，本文選擇TOP247Y。

3 高頻變壓器設(shè)計(jì)

反激式變換器的特點(diǎn)是當(dāng)主功率開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)變壓器原邊電感儲(chǔ)存能量，負(fù)載的能量從輸出電路的濾波電容處得到；而當(dāng)關(guān)斷時(shí)，變壓器原邊電感的能量將會(huì)傳送到副邊負(fù)載和它的濾波電容處，以補(bǔ)償濾波電容在開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)下消耗的能量。具體設(shè)計(jì)如下：

3.1 計(jì)算高頻變壓器初級(jí)電感量L P

3.2 計(jì)算總的視在功率P T

設(shè)肖特基二極管壓降UDF＝0.4 V，變壓器效率為0.8，則：

3.3 計(jì)算AP值，選擇鐵芯

設(shè)K0＝0.4，窗口使用系數(shù) Kf＝4.0（方波）波形系數(shù)，正弦時(shí)為4.44，方波為4。工作磁通密度BW＝0.1 T。疊片鐵心允許溫升25℃時(shí)計(jì)算得：

加10%裕度：AP×1.1＝0.1175 c m4。選擇 EI28（PC40）鐵芯。

3.4 計(jì)算原邊繞組匝數(shù)

取U1＝UOR＝135 V

3.5 計(jì)算原邊電流密度

3.6 計(jì)算原邊繞組裸線面積

查表A WG規(guī)格選用電纜型號(hào)A WG#21 A＊XP＝0.4837 mm2直徑DP＝0.785 mm。

3.7 計(jì)算副邊繞組匝數(shù)

取整流二極管壓降為0.7 V，副邊繞組壓降為0.6 V，78L15和79L15輸入為18 V，保證穩(wěn)定的15 V輸出。

3.8 副邊裸線面積

查表（表1）A WG規(guī)格選用電纜型號(hào)A WG#29，

查表A WG規(guī)格選用電纜型號(hào)A WG#27，

查表A WG規(guī)格選用電纜型號(hào)A WG#22，

表1 原副邊繞組電纜型號(hào)

圖1 TOP247多路輸出開關(guān)電源原理圖

4 開關(guān)電源外圍電路設(shè)計(jì)

圖1為所設(shè)計(jì)的TOP247多路輸出開關(guān)電源原理圖。

4.1 輸入、輸出濾波電路的設(shè)計(jì)

圖2 輸入濾波器設(shè)計(jì)

如圖2所示，輸入整流濾波電路包括交流濾波、整流部分和整流濾波電容。交流濾波采用技術(shù)成熟的∏型濾波電路。具體參數(shù)如下：去除差模干擾的C8、C9為0.47μF／250 V；去除共模干擾的 C10、C11為4.7 n F；濾波線圈L1為6.75 m H，采取雙線并繞。整流電路選擇不可控的600 V／3 A整流橋。濾波電容為C ＝150μF／400 V。

4.2 輸出整流濾波電路設(shè)計(jì)

輸出整流濾波電路由整流二極管、濾波電容構(gòu)成和三端電源穩(wěn)壓芯片（78L05、78L15、79L15）組成。由于肖特基二極管反向恢復(fù)時(shí)間短，在降低反向恢復(fù)損耗以及消除輸出電壓中的紋波方面有明顯的性能優(yōu)勢(shì)，所以輸出整流二極管選用肖特基二極管MBR20200（MBR20100）。對(duì)輸出濾波電容，ESR（等效串聯(lián)阻抗）和紋波電流是它的兩個(gè)重要參數(shù)。當(dāng)電容兩端電壓小于35 V時(shí)，ESR只與電容的體積有關(guān)。本設(shè)計(jì)選擇細(xì)高型的470μF／25 V低ESR電容。對(duì)于要求較高的5 V路輸出，為保證輸出質(zhì)量采用1 000μF／16 V的低ESR電容，并且采用33μH的穿心電感作為濾波電感。

4.3 反饋控制電路的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431加線性光耦PC817 A構(gòu)成反饋回路，可使電壓調(diào)整率達(dá)到±0.1%。電路利用輸出電壓與TL431構(gòu)成的誤差比較器，通過(guò)光耦PC817 A線性關(guān)系的電流變化控制TOPS－witch的IC，從而改變PWM脈沖寬度，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。流入TOPSwitch控制腳C的電流IC與占空比D成反比關(guān)系，如圖3所示。經(jīng)計(jì)算選取R7、R11取10 kΩ，R4取150Ω，R6取1.5 kΩ。

圖3 反饋控制電路原理圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

交流側(cè)輸入電壓為220 V時(shí)，測(cè)得該電源輸出電壓波形如圖3、圖4所示。

圖4 ＋5 V電壓波形

圖5±15V電壓波形

圖4 為U07的波形，圖5中＋15 V波形為U01、U02、U03、U04、U05中任何一路空載時(shí)波形，－15 V為U06空載波形。從波形可以看出輸出電壓穩(wěn)定，紋波系數(shù)小，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于TOPSwitch－GX的電機(jī)伺服系統(tǒng)用多路單端反激式開關(guān)電源；介紹了TOPSwitch－GX系列芯片的特點(diǎn)、開關(guān)電源輔助電路設(shè)計(jì)依據(jù)；設(shè)計(jì)了給系統(tǒng)控制板以及功率器件驅(qū)動(dòng)電路提供5路＋15 V、1路－15 V、1路＋5 V的獨(dú)立電源，輸出功率達(dá)到46 W；著重分析了高頻變壓器的設(shè)計(jì)，給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)步驟；設(shè)計(jì)了基于TL431和光耦PC817的反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)保證輸出電壓的穩(wěn)定性。

［1］ Si mon Ang，Alejandr o Oliva著，徐德鴻 譯.開關(guān)功率變換器［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［2］ 王小雙，林 輝.基于TOP227Y的單片反激電源設(shè)計(jì)［J］.微電機(jī)，2009，42（6）：63－66.

［3］ 沙占友.新型單片開關(guān)電源的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2001.

［4］ 董 硯，劉東波，孫鶴旭，劉漢奎.多路單端反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)［J］.河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，39（3）：60－64.

［5］ Abraham I.Pressman，Keith Billings，Taylor Morey著，王志強(qiáng)，肖文勛，虞 龍，等譯.開關(guān)電源設(shè)計(jì)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010.