基于TOPSwitch的超寬輸進(jìn)隔離式穩壓開(kāi)關(guān)電源

　　開(kāi)關(guān)電源(SwitchingPowerSupply)自問(wèn)世以來(lái)，就以其穩定、高效、節能等優(yōu)良性能而成為穩壓電源的主要產(chǎn)品。而高度集成化的單片開(kāi)關(guān)電源，更是因其高性?xún)r(jià)比、簡(jiǎn)單的外圍電路、小體積與重量和無(wú)工頻變壓器隔離方式等上風(fēng)而成為穩壓電源中的佼佼者，在工控領(lǐng)域應用廣泛。

　　引言

　　開(kāi)關(guān)電源(SwitchingPowerSupply)自問(wèn)世以來(lái)，就以其穩定、高效、節能等優(yōu)良性能而成為穩壓電源的主要產(chǎn)品。而高度集成化的單片開(kāi)關(guān)電源，更是因其高性?xún)r(jià)比、簡(jiǎn)單的外圍電路、小體積與重量和無(wú)工頻變壓器隔離方式等上風(fēng)而成為穩壓電源中的佼佼者，在工控領(lǐng)域應用廣泛。隨著(zhù)各種不同的單片開(kāi)關(guān)電源芯片及其電路拓撲的應用和推廣，單片開(kāi)關(guān)電源越來(lái)越體現出巨大的實(shí)用價(jià)值和美好遠景。但是，TOPSwitch通常答應的輸進(jìn)電壓變化范圍為120～370V，本文嘗試用它制作更寬輸進(jìn)電壓變化范圍(80～550V)的穩壓電源。實(shí)驗結果證實(shí)是很成功的。

　　1、芯片結構及穩壓原理

　　近十幾年來(lái)，美國電源集成公司(PI)、摩托羅拉公司(Motorola)、意-法半導體公司(SGS-Thomson)、美國Onsemi公司等相繼推出了TOPSwitch，MC，L4970，NCP1000等不同系列的單片開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品。由于TOPSwitch系列產(chǎn)品性能穩定，價(jià)格實(shí)惠，故本文選擇該系列中的一種芯片為核心設計制作了一種輸進(jìn)范圍極寬的穩壓電源。該電源輸進(jìn)直流電壓范圍為80～550V，輸出直流電壓20V，輸出功率20W。

　　TOPSwitch不論是三腳封裝，還是DIP-8或SMB-8封裝，實(shí)在質(zhì)都是三端器件，分別為控制端C(Control)、源極S(Source)、漏極D(Drain)?？刂普鎮€(gè)主要作用是，根據其電流Ic來(lái)自動(dòng)調節占空比，當Ic變化時(shí)，占空比就在一定范圍內變化。源極S與芯片內部功率MOS管源極相連，并作為低級電路的公共地。漏極D與芯片內部功率MOS管的漏極相連。

　　TOPSwitch主要包括控制電壓源、高壓電流源、關(guān)斷/自動(dòng)重啟動(dòng)電路、并聯(lián)調整器/誤差放大器、帶隙基準電壓源、過(guò)熱保護及上電復位電路、過(guò)流保護電路、振蕩器、脈寬調制器、門(mén)驅動(dòng)級和輸出級等10個(gè)部分。其內部結構框圖如圖1所示。

　　圖1 TOPSwitch內部結構框圖

　　TOPSwitch的額定開(kāi)關(guān)頻率為100kHz，答應工作范圍90～110kHz。

　　TOPSwitch的穩壓原理是通過(guò)反饋電流(即控制端電流)Ic來(lái)自動(dòng)調節占空比，從而實(shí)現穩壓。例如，當輸出電壓上升時(shí)，反饋電流隨之上升，占空比呈反向變化而下降，導致輸出電壓也隨之下降，從而保證輸出電壓的穩定。反之亦然。

　　2、電路圖及工作原理

　　由TOPSwitch構成的單片開(kāi)關(guān)電源如圖2所示，是典型的單端反激式開(kāi)關(guān)電源。

　　圖2 由TOPSwitch構成的20W穩壓開(kāi)關(guān)電源

　　圖2中T為三繞組高頻變壓器，工作頻率為100kHz。3個(gè)繞組分別為：Np原邊繞組(65匝);Ns副邊繞組(即輸出繞組，13匝);Nf反饋繞組(8匝);各繞組同名端在圖2中已標出。變壓器中能量傳遞過(guò)程為：當TOPSwitch中的功率MOSFET導通時(shí)，變壓器原邊繞組儲存能量;當功率MOSFET關(guān)斷時(shí)，原邊繞組中儲存的能量傳遞給副邊繞組和反饋繞組，經(jīng)高頻整流濾波后即可提供直流輸出電壓和反饋電壓。

　　DZ1，D1和R1，C2組成了漏極箝位電路和能量吸收回路，用以限制TOPSwitch漏極因高頻變壓器的漏感而可能產(chǎn)生的尖峰電壓。DZ1選用P6KE200A型瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)，其反向擊穿電壓為200V。D1選用MUR160型超快恢復二極管，其最大反向耐壓值為600V。由于TOPSwitch的漏—源極最小擊穿電壓為700V，而當其功率MOSFET關(guān)斷時(shí)，變壓器原邊的直流輸進(jìn)電壓、原邊繞組的感應電壓以及由變壓器的漏感而產(chǎn)生的尖峰電壓，三者疊加在一起，其值可能超過(guò)700V，故必須在TOPSwitch的漏極增加箝位電路和吸收電路，用以保護功率MOSFET不被損壞。

　　C3為T(mén)OPSwitch控制真個(gè)旁路電容，其作用是對控制電路進(jìn)行補償，并能設定自動(dòng)重啟動(dòng)頻率。電路中所選參數值已將自動(dòng)重啟動(dòng)頻率設定為1.2Hz。

　　D2及D3為高頻輸出整流二極管，其中D2為MUR420型超快恢復二極管，其最大反向工作電壓為200V，額定整流電流為4A;D3為1N4148型玻封高速開(kāi)關(guān)二極管，其最大反向工作電壓75V，均勻整流電流150mA。

　　L1為濾波電感，其值約為20μH，是由非晶合金磁性材料制成的穿心電感，俗稱(chēng)“磁珠”。其作用是濾除D2在反向恢復過(guò)程中產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)噪聲。

　　DZ2及DZ3為穩壓管，型號為2CW346。IC2為線(xiàn)性光耦合器，型號為PC817A，其內部發(fā)光二極管的導通壓降約為1V，正常工作電流If約為1～5mA，其直流電流傳輸比為80%～160%。

　　輸出電壓由兩只穩壓管電壓、PC817A中發(fā)光二極管的導通壓降以及電阻R4上壓降三者之和而確定，故改變R4的大小，就能改變(精確調節)輸出電壓的設定值，同時(shí)也能改變控制電路的增益，即改變控制電路的放大倍數。對于不同的輸出電壓要求，只須改變穩壓管和限流電阻R4的大小即可。如前所述，輸出電壓Vo的穩壓過(guò)程為：Vo↑(↓)→VR4↑(↓)→If↑(↓)→Ic↑(↓)→占空比↓(↑)→Vo↓(↑)。

　　3、實(shí)驗結果

　　該穩壓電源的實(shí)驗波形如圖3～圖8所示。當輸進(jìn)如圖3所示，為Vi=80V時(shí)，輸出電壓vo如圖4所示(均勻值Vo=19.8V)，此時(shí)TOPSwitch的漏源電壓vDS波形如圖5所示。當輸進(jìn)電壓如圖6所示，Vi=550V時(shí)，輸出電壓vo如圖7所示(均勻值Vo=20.3V)，此時(shí)TOPSwitch的漏源電壓vDS波形如圖8所示。實(shí)驗數據如表1所列。為了說(shuō)明限流電阻R4對輸出的影響，現將不同的R4值所對應的輸出電壓列在表2中。

　　圖3 V(i)波形(Vi=80V，100V/格)

　　圖4 V(o)波形(Vo=19.8V，5V/格)

　　圖5 v(DS)波形(Vi=80V，50V/格)

　　圖6 V(i)波形(Vi=550V，200V/格)

　　圖7 v(o)波形(Vo=20.3V，10V/格)

　　圖8 v(DS)波形(Vi=550V，200V/格)

　　表1輸出電壓與輸進(jìn)電壓的關(guān)系表(R4=400Ω，Po=20W)

　　表2輸出電壓與電阻R4的關(guān)系表(Vi=200V，Po=20W)

　　從表1中可以看出，該穩壓電源固然輸進(jìn)范圍很寬，但其輸出電壓的穩定性卻是相當高的，這對于某些特殊的應用場(chǎng)合還是很有價(jià)值的。

　　在實(shí)際設計、使用該電源時(shí)，須留意如下事項：

　　1)若輸進(jìn)為交流，則在變壓器輸進(jìn)側增加相應的整流、濾波環(huán)節。若無(wú)濾波環(huán)節或濾波效果太差，都將導致電源無(wú)法正常工作;

　　2)繞制高頻變壓器時(shí)，應將原邊繞組繞在最里層，反饋繞組居中，副邊繞組在最外邊，各繞組應均勻分布，同時(shí)繞組之間應采用盡緣膠帶進(jìn)行盡緣;

　　3)焊接TOPSwitch時(shí)，應使其引腳盡可能地短;

　　4)TOPSwitch和MUR420須加散熱器。

　　4、結語(yǔ)

　　本文所先容的寬范圍輸進(jìn)的穩壓電源，結構簡(jiǎn)單，性能可靠，制作本錢(qián)低廉，而且產(chǎn)品體積小，重量輕，因此，具有很大的實(shí)用價(jià)值，也代表了未來(lái)電源的發(fā)展方向。