一种基于TOP260EN的开关电源设计_张继东

收稿日期:2009-10
基金项目:哈尔滨市科技创新研究专项资金项目(2008RFQXG 108)
作者简介:张继东(1970)),男,硕士,副教授,主要从事大功率电能开关变换的控制和应用的研究。

图1 TOPS w itch -HX E 型封装的内部结构图和引脚排列图
一种基于TOP260EN 的开关电源设计
张继东,秦进平
(黑龙江工程学院电子工程系,黑龙江哈尔滨150050)
摘要:采用PWM 控制器和M OSFET 功率开关一体化的集成控制芯片是新一代开关电源设计的重要特点和趋势。

为此,针对超声波发生器辅助电源设计中存在的问题,设计出一种基于TOP260EN 的反激式开关电源。

介绍了TOP S w itch -HX 系列芯片的性能特点、内部结构和引脚功能,详细地说明了该电源的设计过程。

研制出一台电源,经现场检测,该电源性能良好,满足设计要求。

关键词:TO P260E N;TOPSw itch -HX;电路设计;辅助电源
中图分类号:TM 86;TN 712 文献标识码:B 文章编号:1006-2394(2010)02-0063-04
D esign of the Sw itch Power Supply B ased on TOP260EN
Z HANG J-i dong ,Q IN Ji n -p i n g
(D epart ment o f E lectron i c Eng i neering ,H e ilong jiang Institute of T echno l ogy ,H arb i n 150050,Chi na)
Abst ract :It p s an i m portant character and tendency to i n troduce integ rati n g P WM controller w ith MOSFET po w er -s w itch .I n allusion to the prob le m s ex isti n g in the desi g n of aux iliar y po w er supp l y for ultrason ic generator ,a novel fl y -back s w itch i n g po w er supp ly based on TOP260E N is designed .The perfor m ance characteristics ,i n terna l structure and pi n descriptions o fTOPSw itc h-HX series chips are i n troduced in th is paper .The desi g n o f the po w er supply is particular -l y expla i n ed .The po w er supply is developed .Through field detecti o n ,the po w er supply has good perfor m ance and m eets desi g n requ ire m ents .
K ey w ords :TOP260E N;TOPSw itch -HX;circuit design ;aux ili a ry po w er supp l y
1 TOPS w itch -HX 系列芯片介绍
1.1 芯片性能特点
TOPSw itch -H X 系列芯片是美国Po w er I ntegrations 公司最新推出的一组开关电源集成芯片。

它将高压功率MOSFET 、P WM 控制器、故障保护电路以及其他控制电路集成到单个C MOS 芯片中,具备过压、欠压、过流、过热保护、远程控制等众多功能。

它广泛地应用于中小功率开关电源中,使电源损耗更少、电磁干扰更少、体积更小、效率更高、可靠性更高。

1.2 芯片内部结构图和引脚功能
TOPSw itch -H X 封装主要分为Y 封装、E 封装、L 封装、
M 封装、P 和G 封装。

现以图1(a)所示的E 封装内部结构图来说明TOPSw itch -HX 系列芯片的结构特点,其主要由以下几部分组成:(1)控制电压源;(2)带隙基
准电压源;(3)频率抖动振荡器;(4)并联调整器/误差
放大器;(5)脉宽调制器(含P WM 调制器和触发器);(6)过电流比较器;(7)门驱动级和输出级;(8)具有滞后特性的过热保护电路;(9)关断/自动重启动电路;(10)高压电流源;(11)软启动电路;(12)输入过压、欠压检测及保护电路;(13)电流极限调节器;(14)线路检测器;(15)线路检测端和极限电流设定端的内部电路;(16)停止逻辑;(17)开启电压为1V 的电压比较器。

本次设计选用E 封装的TOPSw itch-HX 芯片,其引脚排列如图1(b)所示,引脚功能如下。

漏极引脚(D):MOSFET 漏极引脚,通过内部高压电流源为内部电路提供启动偏置电流。

控制引脚(C ):误差放大器及反馈电流的输入脚,与内部并联调整器相连接,可控制占空比。

极限电流设定端引脚(X ):用于对外部电流设定调整,在此端接上不同的电阻,可使开关电流设定为不同的数值。

连接至源极引脚(S)则禁用此引脚的所有功能。

电压监测引脚(V ):是过压(OV )、欠压(UV )、降低DC MAX 的线电压前馈、输出过压保护(OVP)、远程开/关和器件重置的输入引脚。

连接至源极(S )引脚则禁用此引脚的所有功能。

源极引脚(S ):源极连接点,用于高压功率的回
路。

它也是初级控制电路的公共点及参考点。

频率引脚(F):用于选择开关频率的输入引脚,如果连接到源极(S)引脚则开关频率为132k H z ,连接到控制引脚(C )则开关频率为66kH z 。

2 辅助电源的设计2.1 设计要求
超声波发生器对辅助电源的要求是:可靠、稳定、小型、高效率;交流输入电压为85~265VAC ;适应负载在较大范围变化;自保护功能齐全。

设计技术指标如下,输入电压:85~265V AC (50H z);输出电压和电流:3路共地,20V /2A,12V /1A,5V /1A;1路独立地5V /1A;输出电压纹波:[1%;电源效率G :\75%;电压调整率S V :?1%;负载调整率S I :?1%。

2.2 电路设计及工作原理
(1)开关电源集成芯片的选取
由设计要求,可确定电源工作方式为反激式,可计算出电源输出总功率P 为62W (P =20@2+12@1+5@1@2=62W )。

考虑到设计时需要留有一定裕量,为此可选用TOP260E N 芯片,其最大输出功率为93W (适配器模式)。

以TOP260EN 为核心设计的辅助电源如图2
所示。

图2 辅助电源原理图
(2)E M I滤波电路与输入整流滤波电路设计
电容C1、C6和电感L1、L2组成E M I滤波电路,其中C6能滤除变压器一次、二次绕组耦合电容产生的共模干扰。

桥块BR1和电容C2、C4组成一次整流滤波电路,其中C4为开关电源提供去耦,从而降低差模干扰,C2可确保低纹波直流电流进入反激式转换器级, C2的容量可依照经验来取值,可取容量为120L F、耐压为400V的电解电容。

(3)TOP260EN外围电路的设计
为了减小变压器和电源的体积,将引脚(F)与引脚(S)短接,使TOP260EN工作在开关频率为132k H z 的全频方式。

电阻R5、R6和R7用来限制功率,保证在输入电压波动时维持相对恒定的过载功率。

将引脚(V)与直流电压输入端之间接入线电压检测电阻R(R =R3+R4),可为TOP260EN提供线电压前馈信号,一方面保证在直流输入电压下降到100V时,输出没有干扰,实现欠压检测功能;另一方面保证在直流输入电压升至450V以上且电压恢复正常值以前时,使TOP260E N停止工作,防止器件损坏,实现过压检测功能。

线电压检测电阻R可由式(1)和式(2)确定为4M8。

U UV=I UV R(1)
U OV=I OV R(2)式中:U U V、U OV、I UV、I OV分别为TOP260EN的欠压、过压、欠压电流、过压电流,其数值分别为100V、450V、25L A、112.5L A。

为了吸收TOP260EN关断时高频变压器一次绕组漏感产生的尖峰电压,以保护MOSFET不受损坏,设计了一个由R8、R9、C5、VR1、D1构成的高效率箝位电路,使漏感中的能量大部分消耗在R8、R9上;同时,通过VR1可将电压箝位在限定范围内,使电源在开启和过载情况下均能满足要求。

VR1选用箝位电压为180V的瞬态电压抑制器,D1选用反向耐压为600V的超快恢复二极管。

(4)变压器设计
高频变压器是开关电源的核心元件,在电路中兼有能量转换、电压变换、限流和隔离作用,是整个设计中的难点和关键。

在设计和制作时,对磁芯材料的选择、磁芯与线圈的结构、绕制工艺等都要有周密考虑。

为了合理选择变压器的磁芯,确定初级、次级线圈的线径、匝数及气隙等参数,本设计选用开关电源专用设计软件PI-Expert来计算变压器参数。

磁芯选择:磁芯材料NC-2H,磁芯类型EE35,相关参数B W=15.70mm, M L=0mm,M R=0mm,A E=101.40mm2,ALG=324n H/ T2,B M=219mT,B P=303mT,B AC=56mT;气隙:L G=0.379mm;初级线圈电感量L P=230L H,初级匝数N P 为27.3匝(实际取28匝),初级线径为AWG25 (0.45mm),2股并绕,初级漏感L L为6.3L H;反馈绕组匝数N B为6匝,反馈绕组线径为AWG25(0.45mm),2股并绕;次级20V/2A绕组匝数为3匝,线径为AWG25(0.45mm),2股并绕;次级12V/1A绕组匝数为2匝,线径为AWG25(0.45mm),3股并绕;5V/1A 绕组匝数为2匝,线径为AWG25(0.45mm),4股并绕; 5V/1A绕组匝数为2匝,线径为AWG25(0.45mm)。

软件给出的参数都是经过一定优化得到的,故实际设计中优先选用这些推荐参数,实践证明这样做是合理且高效的。

(5)输出整流滤波电路的设计
高频变压器的二次侧输出电压经二极管D2~D5整流后,由电解电容C13~C16滤波,再经电感L3~L6低通滤波后送给电解电容C17~C20,进一步降低直流电压的交流纹波后向负载输出。

设计时,要选用等效串联电阻很小的输出滤波电容,以避免因电容损耗增大而引起的电源可靠性降低。

(6)反馈控制电路的设计
电源能否稳定地工作在额定范围内,反馈控制电路的设计是很重要的。

设计中,对于精度要求较高的5V输出,采用线性光耦LTY817C和三端精密稳压器L M431等元件组成电气隔离式反馈电路,其工作原理是:变压器次级偏置绕组的输出电压经过D6、C11整流滤波后给LTY817C中的接收管U2B提供偏置电压, 5V输出经电阻分压器R17、R18获得取样电压,与L M431中的2.5V基准电压相比较后产生误差电压,使LTY817C中发光二极管的工作电流产生相应变化,再通过LTY817C隔离放大去改变控制引脚(C)的电流,从而调节TOP260E N的输出占空比,达到输出5V电压稳定的目的。

其中R16为限流电阻,推荐值R16= 1008;电阻分压器R18典型值为10k8,R17阻值可根据式(4)确定为10k8。

R17=10@(5-2.5)/2.5(k8)(4) C8为控制端的旁路电容;C9与R15一起构成尖峰电压滤波器,使偏置电压在负载较重时能保持恒定; C21为软启动电容;C22和R19构成控制回路的补偿元件;另外,本设计还通过VR2、R12、D7、VR3、R20、U3、R13、D8等器件实现可选次级侧过压保护功能。

如果某元件出现故障而导致反馈环路开环,偏置绕组电压将会上升,此时VR2将击穿并通过R12、D7触发引脚(V)而启动过压保护;同时,输出端的电压过高将导致VR3击穿,并使流经R20和U3A中电流增加,进而使U3B中的电流产生相应变化并经R13和D7触发引脚
(V )而启动过压保护。

3 实验与结论
对研制出的电源进行了多次试验测试。

在额定输入电压及额定负载情况下,实测电源效率为79%;当
输入电压在85~265VAC (50H z)范围变化时,实测电源电压调整率为0.6%;在220VAC 额定输入电压下,实测电源的负载调整率0.8%;在额定输入电压下,
实
图3 输出电压的纹波图
测5V 、12V 、20V 输出电压的纹波均小于1%,如图3所示。

上述实测结果表明,该电源满足设计要求。

4 结束语
本文介绍了一种基于TOP260E N 芯片的开关电源的设计。

经现场试验,各个方面均能达到预期的效果,在输入电压波动较大的情况下能够长期稳定地工作。

这种单片开关电源电路具有结构简单、体积小、噪声小、损耗少、效率高、可靠性高等优点,使用灵活、方便,在中小功率电子设备中具有广泛的应用前景。

本文设计的开关电源已应用于超声波塑料焊接中,且取得了较好的应用效果。

参考文献:
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[4]何东升,罗世能.基于TOPSw itch -GX 系列单片开关电源应
用设计[J].通信电源技术,2007,24(3):43-46.
(许雪军编发)
(上接第62页)3 结束语
大功率高压直流电源样机已经调试出来。

采用串联谐振电路具有非常好的抗短路能力,逆变器的开关
频率为19k H z ,输出电压0到50kV 可调,输出为50kV 时,负载最大输出电流平均值约为200mA,输出功率可以达到10k W,电源效率不低于80%,谐振波形如图5
所示。

图5 谐振回路的电流与脉冲驱动波形
调试的大功率高压直流电源,能够达到预期目标,
但仍然有许多问题,比如当两台电源串起来时,输出直
流纹波明显,驱动电路的驱动效果不是很理想,理论上功率预计可以做到15k W,但由于工艺设计等问题,未能达到其值,仍然需要后续的理论和实验的验证。

参考文献:
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(郁菁编发)。