基于TOP234Y的電壓可調數控開(kāi)關(guān)電源設計

引言

　　隨著(zhù)電源電子技術(shù)的高速發(fā)展，普通的開(kāi)關(guān)電源逐漸顯示出了其在現代高科技產(chǎn)品設計中的眾多不足之處，尤其是開(kāi)關(guān)電源的智能化要求。然而，數字控制開(kāi)關(guān)電源卻在這方面突現了優(yōu)勢，數字控制易于采用先進(jìn)的控制方法和智能控制策略，可以從根本上提高系統的性能指標,減少控制電路的元器件數量，縮小控制板體積，提高系統的抗干擾能力，提高控制系統的可靠性[1]。本文設計一種基于PWM控制器和MOSFET集成芯片TOPSwitch-FX TOP234Y的電壓可調數字控制開(kāi)關(guān)電源。該電源主要用于產(chǎn)品的測試和開(kāi)發(fā)，也可以做智能控制的電源。

2 總體設計方案

　　數字控制開(kāi)關(guān)電源是一種基于數字信號控制調節其輸出電壓的、初步實(shí)現開(kāi)關(guān)電源的數字化和智能化控制的電路系統。電壓可調數字控制開(kāi)關(guān)電源要求由按鈕控制電壓輸出值在5～40V范圍內的步加、步減調節，步進(jìn)精度為0.2V，并隨時(shí)可以調回最低值或預置為最高值，輸出電壓的精度不低于0.1V[2]，最大輸出功率不低于20W。

2.1系統設計

　　設計一種基于TOP234Y的電壓可調數控開(kāi)關(guān)電源，利用PWM原理控制占空比，采用可逆計數器計數并經(jīng)數模轉換放大做控制信號，對輸出電壓進(jìn)行相對較大范圍的調節，由反饋電路確保電壓的穩定性，數字芯片電源由內部電源提供。

　　按功能系統可基本劃分為兩大部分，即開(kāi)關(guān)電源的模擬部分和數字控制部分。模擬部分實(shí)現開(kāi)關(guān)電源電壓的整流、濾波、功率變換、限流保護等功能；數字控制部分主要是通過(guò)計數調壓控制信號調節PWM占空比來(lái)改變電壓輸出值并控制反饋信號以保持電壓輸出值的穩定。

2.2基本設計思路

　　系統結構主要包括模擬開(kāi)關(guān)電源、反饋電路、PWM及比較器控制和數字調壓控制四大模塊。其系統原理框圖如圖1所示。

　　模擬開(kāi)關(guān)電源部分對輸入交流市電進(jìn)行濾波、抗電磁干擾處理、整流、功率變換和穩壓等。數字器件要求提供的電源基本保持不變，但輸出電壓會(huì )隨數控調節不斷改變，所以開(kāi)關(guān)功率變換次級輸出只能在經(jīng)過(guò)穩壓處理才能用作內部電源，這里在電壓不超過(guò)最大值的情況下采用三端穩壓器。

　　開(kāi)關(guān)電源反饋采用輸出電壓的雙向控制。調壓控制信號和反饋信號采用比較器作比較放大后送PWM控制器，使兩者不會(huì )產(chǎn)生沖突，也不會(huì )漏掉其中任一控制信號，兩者同時(shí)控制開(kāi)關(guān)脈沖的占空比來(lái)調節和穩定電壓[3]?？刂菩盘柕碾妷号c輸出電壓的關(guān)系是由PWM控制器實(shí)現線(xiàn)性控制，故PWM控制器必須用線(xiàn)性PWM控制器件。

　　在反饋電路中，若輸出電壓偏高，誤差放大反饋信號進(jìn)入比較器經(jīng)比較輸出的電壓也偏高。轉化后的反饋信號電壓與脈沖調制器前置的比較器的計數調壓控制電壓比較后的電壓偏低，導致占空比的寬度變窄，引起輸出電壓下降[4]；反之亦然。調壓控制的原理與反饋控制原理相似，但這里集成在TOP芯片中。

　　在數字調壓控制模塊，由按鈕控制計數器的步加、步減、清零和預置為最大值，并由計數器輸出一個(gè)相應的電壓信號。計數器輸出的信號為數字量，故須再經(jīng)數模轉換形成相應的控制電壓，即數字調壓控制信號。

3電路設計

3.1 PWM控制器和MOSFET集成芯片TOPSwitch-FX介紹

　　TOPSwitch-FX系列有三種封裝形式，其中TO-220-7B封裝有5個(gè)引出端，它們分別是控制端C、多功能端M、源極S、開(kāi)關(guān)頻率選擇端F和漏極D。多功能端主要有線(xiàn)路過(guò)壓和欠壓保護、利用線(xiàn)路電壓前饋來(lái)降低占空比Dmax、從外部設定芯片的極限電流ILIMIT等功能。

　　TOPSwitch-FX主要由門(mén)驅動(dòng)級和輸出級、控制電壓源、帶隙基準電壓源、頻率抖動(dòng)振蕩器、并聯(lián)調整器/誤差放大器、脈寬調整器等主要部分組成。它的工作原理是利用反饋電流IC來(lái)調節占空比Dmax，達到穩定電壓的目的。例如，當輸出電壓UO↑時(shí)，經(jīng)過(guò)光耦合反饋電路使得IC↑→Dmax↓→UO↓，最終使UO保持不變。

　　TOPSwitch-ＦX有一大特性，當控制端電流IC在規定范圍內，而多功能端的輸入電流IM為定值時(shí)，脈寬調制器的輸出占空比Dmax與IC成反比。PWM的增益為：
K=ΔD/ΔIC= —22%/mA
即
ΔD=K×ΔIC= —22%••••••••••••••••••⑴
由式⑴可知，占空比隨IC的增大而減小。實(shí)際上，占空比不僅與IC有關(guān)，還取決于IM值[5]。

3.2 配有TL431的光耦合雙向反饋電路

　　目前，在普通開(kāi)關(guān)電源中可由多種方式進(jìn)行輸出反饋。在輸出電壓采樣電路中，一般有鉗位電路?；驹硎潜容^輸出電壓是高于還是低于鉗位電壓[6]。但在電壓可調的開(kāi)關(guān)電源中，因為輸出電壓本身是要求變化的，所以不能用類(lèi)似的反饋電路。

　　為了克服這一難題，在電路反饋原理上不再采用單獨的縱向比較，而是縱向、橫向比較相結合。橫向是比較兩輸出電路電壓是否相同，而縱向比較是在另一路輸出中加入延時(shí)操作，同時(shí)在調壓時(shí)禁止反饋。

　　具體的電路是在第二路輸出經(jīng)整流濾波后加延時(shí)器，再與第一路進(jìn)行比較，從而實(shí)現縱向比較。而為了在調壓時(shí)禁止反饋，反饋輸出后加脈沖控制反饋電路的通斷，當有調壓脈沖信號存在時(shí)，反饋通路中斷，這里由壓控繼電器來(lái)實(shí)現。另外，由于電壓的精度要求高，在電路反饋中必須對誤差電壓進(jìn)行放大，中間加比較器放大器后進(jìn)行反饋。同時(shí)在電路中對輸出采用光耦合器件TL431隔離，提高電壓調整率[7]。