采用TOP249Y開發(fā)變頻器實現(xiàn)多路輸出開關(guān)電源的應(yīng)用方案

作者：王正，朱興動，張六韜

1 引言

隨著PWM技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，開關(guān)電源得到了廣泛的應(yīng)用，以往開關(guān)電源的設(shè)計通常采用控制電路與功率管相分離的拓撲結(jié)構(gòu)，但這種方案存在成本高、系統(tǒng)可靠性低等問題。美國功率集成公司？POWER Integration Inc 開發(fā)的TOP Switch系列新型智能高頻開關(guān)電源集成芯片解決了這些問題，該系列芯片將自啟動電路、功率開關(guān)管、PWM控制電路及保護電路等集成在一起，從而提高了電源的效率，簡化了開關(guān)電源的設(shè)計和新產(chǎn)品的開發(fā)，使開關(guān)電源發(fā)展到一個新的時代。文中介紹了一種用TOP Switch的第三代產(chǎn)品TOP249Y開發(fā)變頻器用多路輸出開關(guān)電源的設(shè)計方法。

2 TOP249Y引腳功能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.1 TOP249Y的管腳功能

TOP249Y采用TO-220-7C封裝形式，其外形如圖1所示。它有六個管腳，依次為控制端C、線路檢測端L、極限電源設(shè)定端X、源極S、開關(guān)頻率選擇端F和漏極D.各管腳的具體功能如下：

控制端C：誤差放大電路和反饋電流的輸入端。在正常工作時，利用控制電流IC的大小可調(diào)節(jié)占空比，并可由內(nèi)部并聯(lián)調(diào)整器提供內(nèi)部偏流。系統(tǒng)關(guān)閉時，利用該端可激發(fā)輸入電流，同時該端也是旁路、自動重啟和補償電容的連接點。

線路檢測端L：輸入電壓的欠壓與過壓檢測端，同時具有遠程遙控功能.TOP249Y的欠壓電流IUV為50μA，過壓電流Iav為225μA.若L端與輸入端接入的電阻R1為1MΩ，則欠壓保護值為50VDC，過壓保護值為225VDC.

極限電流設(shè)定端X：外部電流設(shè)定調(diào)整端。若在X端與源極之間接入不同的電阻，則開關(guān)電流可限定在不同的數(shù)值，隨著接入電阻阻值的增大，開關(guān)允許流過的電流將變小。

源極S：連接內(nèi)部MOSFET的源極，是初級電路的公共點和電源回流基準點。

開關(guān)頻率選擇端F：當F端接到源極時，其開關(guān)頻率為132kHz，而當F端接到控制端時，其開關(guān)頻率變?yōu)樵l率的一半，即66kHz.

漏極D：連接內(nèi)部MOSFET的漏極，在啟動時可通過內(nèi)部高壓開關(guān)電流提供內(nèi)部偏置電流。

2.2 TOP249Y的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

TOP249Y的內(nèi)部工作原理框圖如圖2所示，該電路主要由控制電壓源、帶隙基準電壓源、振蕩器、并聯(lián)調(diào)整器/誤差放大器、脈寬調(diào)制器（PWM）、門驅(qū)動級和輸出級、過流保護電路、過熱保護電路、關(guān)斷/自動重起動電路及高壓電流源等部分組成。

3 基于TOP249Y的開關(guān)電源設(shè)計

利用TOP249Y設(shè)計了一種新型多路輸出開關(guān)電源，其三路輸出分別為5V/10A、12.5V/4A、7V/10A，電路原理如圖3所示。該電源設(shè)計的要求為：輸入電壓范圍為交流110V～240V，輸出總功率為180W.由此可見，選擇TOP249Y能夠滿足要求。

3.1 外圍控制電路設(shè)計

該電路將X與S端短接可將TOP249Y的極限電流設(shè)置為內(nèi)部最大值;而將F端與S端短接可將TOP249Y設(shè)為全頻工作方式，開關(guān)頻率為132kHz.

在線路檢測端L與直流輸入Ui端連接一2MΩ的電阻R1可進行線路檢測，由于TOP249Y的欠壓電流IUV為50μA，過壓電流Iav為225μA，因此其欠壓保護工作電壓為100V，過壓保護工作電壓為450V，即TOP249Y在本電路中的直流電壓范圍為100～450V，一旦超出了該電壓范圍，TOP249Y將自動關(guān)閉。

3.2 穩(wěn)壓反饋電路設(shè)計

反饋回路的形式由輸出電壓的精度決定，本電源采用“光耦+TL431”，它可以將輸出電壓變化控制在±1%以內(nèi)，反饋電壓由5V/12A輸出端取樣。電壓反饋信號U0通過電阻分壓器R9、R11獲得取樣電壓后，將與TL431中的2.5V基準電壓進行比較并輸出誤差電壓，然后通過光耦改變TOP249Y的控制端電流IC，再通過改變占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓U0使其保持不變。光耦的另一作用是對冷地和熱地進行隔離。反饋繞組的輸出電壓經(jīng)D2、C2整流濾波后，可給光耦中的接收管提供電壓.R4、C4構(gòu)成的尖峰電壓經(jīng)濾波后可使偏置電壓即使在負載較重時，也能保持穩(wěn)定，調(diào)節(jié)電阻R6可改變輸出電壓的大小。

3.3 高頻變壓器設(shè)計

由于該電源的輸出功率較大，因此高頻變壓器的漏感應(yīng)盡量小，一般應(yīng)選用能夠滿足132kHz開關(guān)頻率的錳鋅鐵氧體，為便于繞制，磁芯形狀可選用EI或EE型，變壓器的初、次級繞組應(yīng)相間繞制。

高頻變壓器的設(shè)計由于要考慮大量的相互關(guān)聯(lián)變量，因此計算較為復雜，為減輕設(shè)計者的工作量，美國功率公司為TOP Switch開關(guān)電源的高頻變壓器設(shè)計制作了一套EXCEL電子表格，設(shè)計者可以方便地應(yīng)用電子表格設(shè)計高頻變壓器。

3.4 次級輸出電路設(shè)計

輸出整流濾波電路由整流二極管和濾波電容構(gòu)成。整流二極管選用肖特基二極管可降低損耗并消除輸出電壓的紋波，但肖特基二極管應(yīng)加上功率較大的散熱器;電容器一般應(yīng)選擇低ESR？等效串聯(lián)阻抗 的電容。為提高輸出電壓的濾波效果，濾除開關(guān)所產(chǎn)生的噪聲，在整流濾波環(huán)節(jié)的后面通常應(yīng)再加一級LCC濾波環(huán)節(jié)。

3.5 保護電路設(shè)計

本電源除了電源控制電路TOP249Y本身所具備的欠壓、過壓、過熱、過流等保護措施外，其外圍控制電路也應(yīng)有一定的保護措施。用D3、R12、Q1可構(gòu)成一個5.5V的過壓檢測保護電路。這樣，當5V輸出電壓超過5.5V時，D3擊穿使Q1導通，從而使光耦電流增大，進而增大了控制電路TOP249Y的控制端電流IC，最后通過內(nèi)部調(diào)節(jié)即可使輸出電壓下降到安全值。

為防止在開關(guān)周期內(nèi)，TOP249Y關(guān)斷時漏感產(chǎn)生的尖峰電壓使TOP249Y損壞，電路中設(shè)計了由箝壓齊納管VR1、阻斷二極管D1、電容C5、電阻R2、R3組成的緩沖保護網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)在正常工作時，VR1上的損耗很小，漏磁能量主要由R2和R3承擔;而在啟動或過載時，VR1即會限制內(nèi)部MOSFET的漏極電壓，以使其總是處于700V以下。

4 電源性能測試及結(jié)果分析

根據(jù)以上設(shè)計方法，筆者對采用TOP249Y設(shè)計的多路輸出開關(guān)電源的性能進行了測試。實測結(jié)果表明，該電源工作在滿載狀態(tài)時，電源工作的最大占空比約為0.4，電源的效率約為90%，紋波電壓控制、電壓調(diào)節(jié)精度及電源工作效率都超過了以往采用控制電路與功率開關(guān)管相分立的拓撲結(jié)構(gòu)形式的開關(guān)電源。

5 結(jié)論

由于TOP249Y芯片內(nèi)部集成有PWM控制器、功率開關(guān)MOSFET以及多種保護電路，所以采用該芯片設(shè)計出的開關(guān)電源具有成本低、外圍線路簡單、體積小、效率及可靠性高等特點，因而在中功率電子設(shè)備中具有廣泛的應(yīng)用前景。本文設(shè)計的開關(guān)電源已應(yīng)用于某變頻器的控制電路中，且取得了較好的應(yīng)用效果。

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