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简述单片开关电源及其在高压电源中的应用

发布时间:2017-8-1 8:48:40    浏览次数:499

前言


一般情况下,以TOP开关器件为代表的开关电源芯片,其漏极D和变压器初级的一端相接。由于漏感引起的反峰电压反射到变压器的初级,将直接加在漏极上,而反峰电压与输出电压有关,即输出电压越高,反峰电压也越高,对于漏极与源级之间耐压只有几百伏的TOPSwitch器件来说,过高的电压很容易将其击穿,因此,采用TOPSwitch器件制作的开关电源,大多数采用低压小功率输出。本文通过改进电路,实现了TOPSwitch器件在高压开关电源中的应用。
TOPSwitch工作原理 
TOPSwitch系列可广泛应用于各种通用及专用开关电源、待机电源、开关电源模块中。它将PWM控制系统的全部功能集成到三端芯片中,内含脉宽调制器、MOSFET、自动偏置电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路。通过高频变压器使输出端与电网完全隔离,真正实现了无功频变压器TOPSwitch不需要外接大功率的过流检测电阻,也不必提供启动时的偏置电流。它采用漏级开路输出方式,利用电流来线性调节占空比,是电流控制型开关电源。 
脉冲调制式开关电源的基本原理如图1所示。交流220V输入电压经过整流滤波器变为直流电压V1,再由功率开关管VT(或MOSFET)斩波、高频变压器T降压,得到高频矩形波,最后通过输出整流滤波器VDC2,获得所需的直流输出电压V0。脉宽调制器是这类开关电源的核心,它能产生频率固定而脉冲宽度可调的驱动信号,控制功率开关管的通断状态,以调节输出电压的高低,达到稳压目的。锯齿波发生器提供时钟信号,利用误差放大器和PWM比较器构成闭环调节系统,假如由于某种原因致使V0下降,脉宽调制器就改变驱动信号的脉冲宽度,即改变占空比D,使斩波后的平均电压升高,导致V0上升,反之亦然。



脉宽调制式开关电源的基本原理

TOPSwitch的应用 
依据TOPSwitch电路的特性,本文实现了一路高压与一路低压的双路输出电源。对于高压输出,采用了二次升压和6倍压整流的方法来获得其中的一路直流高压输出:2500V/40mA,由于本文只对TOPSwitch的高压应用进行探讨,该路输出电压精度不作要求;另外一路低压输出为6V/1A,精度优于1%,由于高压部分精度要求不高,因此,可以直接输出,但是低压部分精度要求较高,因此,在该路电压输出端,通过取样电阻对输出电压进行采样,输入采用TL431TL432是一个有良好热稳定性的三端可调分流基准源,它的输出电压用两个电阻就可以任意设置从Vref2.5V)到36V范围内的任何值。取样电压通过光耦隔离后送入TOPSwitch的控制端。光耦供电电压可以利用变压器次级输出电压供电。 
本方案采用基于TOPSwitch的反激变压器来实现。通过一个变压器的多副边绕组得到所需要的双路输出电压,另外,两路输出电压处在不同电位上,他们之间的电压差很大,因此,变压器的隔离度要求很高,这也是该电源的一个实现难点。 
TOPSwitch芯片的选择 
本电源的输入电压为270VDC,在该系列所要求的电压范围内。对芯片的选择主要是考虑功率的需要,输出功率PO约为110W,考虑一定的裕度,本方案选择TOP226Y芯片,具体实现电路如图2所示。

电路原理图

反馈电路设计 
反馈电路的形式由输出电压精度决定,本方案中的光耦+TL431”可以把输出电压精度控制在±1%。电压反馈信号经分压网络引入TL431Ref端,转化为电流反馈信号,经过光耦隔离后输入TOPSwitch的控制端。 
光耦工作在线性状态,起隔离作用,如果所选的光耦的电流放大率上限超过200%,容易造成TOPSwitch过压保护。相反,若其下限小于40%,占空比D将不能随反馈电流的增加而减小,从而导致过流。因此,应选择电流放大率范围接近100%的光耦。 
TOPSwitch使用注意事项 
应用中,TOP开关的源脚引线尽可能短,旁路电容要尽可能靠近源脚和控制脚,源脚应单点接地。
开关关断时,为了减小漏极峰值电压和漏极冲击激励振荡电压,漏感较大的高频变压器初级必须加入阻尼电阻。 
测试时,TOP开关器件不能直接插入加有高电压的插座内。在印刷电路板上,控制脚外接电容器能够把较大的浪涌电流传输到触发器和关断锁存器。从而关断TOP开关。 
开关电源轻载或空载时,输出MOSFET导通时间很短,为了使输出电压保持在设计范围内,该开关电源必须外加一个很小的负载。 
结语 

TOPSwitch作为一种集成芯片,大大简化了开关电源的设计流程,不仅能用于低压电源,也可以用于高压电源。


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