作者 / 黄鲁晨1 黄辉1 董雅茹1 王鑫2 1.北京交通大学 电气工程学院(北京 100044) 2.北京市电加工研讨所(北京 100191)
摘要：依据PWM操控芯片TOP224YN，研发了一款380 V沟通输入、三路输出的反激式开关电源。考虑到芯片自身的耐压才能与较大输入电压的对立，本规划采取了以TOP224YN外接MOSFET的办法，成功地处理了耐压裕量缺乏的问题，突破了将该芯片用于大电压输入的开关电源的限制。在扼要介绍操控芯片的作业原理的基础上，本文具体论述了电源的要害电路，如EMI滤波电路、高频变压器和反应操控回路的规划流程。经过试验测验，验证了电源规划的正确性和可行性。该电源具有输入电压大、稳压功用优秀、纹波小、功率高和电磁兼容性好等长处。
1 概述
开关电源和线性电源比较，具有功率高、体积小和安稳性高级明显优势，其运用越来越广泛。现在，市面上运用最多的AC-DC反激式开关电源首要分为四种输入办法：一是85 V~265 V宽规模沟通输入;二是100V/115V沟通固定输入;三是230 V±35 V沟通固定输入;四是100 V/115 V沟通倍压输入办法[1]。而大多数反激式开关电源选用220 V沟通电压供电。
本文为电火花机床电源供应体系研发了一款辅佐电源，依据体系要求，该电源沟通输入为380V，集多路和稳压输出为一体。考虑到美国PI公司出产的TOPSwitchⅡ芯片系列具有集成度高、外围电路简略的长处，因而将其作为本规划的PWM操控芯片。可是，本芯片可接受的电压与要求的输入电压比较，裕量不行。因而，本规划经过将芯片外接MOSFET的办法处理此问题，这样既满意了输入电压值的要求，又保留了该芯片运用简洁的长处。
2 主电路规划
2.1 电源规划目标
依据电火花机床电源供应体系中的供电需求，规划的开关电源应满意以下目标：设定电源沟通输入规模为198 V~418 V，首要作业输入电压为沟通380 V;输出为：+15 V/0.5 A、-15 V/0.5 A和24 V/2 A，其地均与输入侧地阻隔，其间±15 V输出共地，与+24 V输出阻隔;开关频率为100 kHz;总输出功率为65 W，损耗分配系数为0.5;电源功率为80%。
2.2 体系规划方案
本次规划的辅佐电源拓扑结构框图如图1所示，首要包含TOP224YN外围操控回路规划，EMI滤波电路、输入整流滤波电路、钳位电路、输出整流滤波电路、LM2596稳压电路、反应操控回路等。
2.3 TOP224YN芯片简介及外围电路规划
TOP Switch系列芯片是美国PI公司出产的三端离线式PWM/MOSFET复合开关，因其外围电路简略，可完成电气阻隔，维护功用完全，适用于反激、正激、升降压等各种拓扑的长处而得到广泛运用[2]。
本电源的操控回路选用的是PWM操控芯片TOP224YN对主输出进行稳压，但仅运用该芯片只能适用于85V~265V沟通输入的电源，无法满意体系需求的380V输入。本规划提出的处理方案是选用操控芯片外接MOSFET的办法，经过与芯片内部MOSFET的串联来增大开关管的耐压值，然后留出适宜的裕量，确保开关电源安稳牢靠的作业。已知芯片耐压值为700 V，外接的MOSFET耐压值为900 V，而沟通输入电压经过整流滤波电路后施加在开关管上的电压大约为537 V，可见这样处理后使得全体的开关管的耐压值大于输入电压的两倍，规划合理。需求留意的是作业时要确保两个开关管的一起导通和关断。这种办法不只突破了选用TOP224YN操控芯片规划电路的限制性，而且使规划大电压输入的开关电源变得简洁，对大电压输入、集成度高的开关电源的规划具有必定的参阅价值。
TOP224YN外接MOSFET的具体电路如图2(TOP224YN与外部MOSFET串联电路模块)所示，图中d1和s1别离表明外部MOSFET的漏极和源极，d2和s2别离代表TOP芯片内部MOSFET的漏极和源极，从原理图上剖析可知，当d2和s2之间导通时， s1被下拉到低电平，此刻g1和d1均处于高电平，则外部MOSFET也处于导通状况;反之，当d2和s2之间关断时，电路断开，d1和s1也无法导通，输入电压被分配到两个MOSFET上，缓解了耐压压力。
此外，其他要害电路还有EMI滤波电路、高频变压器和反应操控回路。其参数的挑选直接影响到电源的终究功用。下面将逐个论述。
3 其它要害电路规划
3.1 EMI滤波电路规划
考虑到电源的电磁兼容性，规划时在输入输出端均参加EMI滤波电路，一方面去除电网输入的谐波，另一方面减小输出纹波巨细。电路首要包含X电容和Y电容，X电容(C3和C4)首要按捺差模搅扰，依据文献[3]中滤波器参数的设置办法，本规划X电容值为10 nF;Y电容(C1和C2)首要按捺共模搅扰，容值为10 nF，EMI电路所用共模电感，一般取值为5~33 mH，本规划取10 mH。
3.2 高频变压器规划
3.2.1 核算最大占空比
在输入电压最小值时取到最大占空比Dmax，公式为
(1)
其间，Vor为反射电压，取135 V;Vimin为最小输入直流电压，因为电源沟通输入规模为198 V~418 V，则依据文献[4]中对应联系可得，直流电压输入规模为213V~591 V，则Vimin=213 V;Vdson是主开关导通时的漏源间压降，典型值为10 V。
3.2.2 挑选磁芯标准
依据AP法[5]
(2)
其间，kf为波形因数，方波时为4;k0为窗口运用系数，一般取0.3;fs为开关频率;Bw为作业磁感应强度，大多数铁氧体的饱满磁通密度Bs在0.3 T(300 mT)左右，一般取Bw=(1/3~2/3)Bs，本规划取Bw=(2/3)Bs;J为电流密度，取J=4×106 A/m;Pt为视在功率，值为146.25 W。查磁芯标准表，可选取EC35型磁芯。
3.2.3 核算初、次级匝数
应该依照最大输入直流电压来核算初级绕组匝数Np[7]，依据电磁感应规律
(3)
其间，Ae为磁芯有用截面积，由磁芯类型查表可得Ae=84.3 mm2。代入公式得NpAe=11525.5 匝×mm2，则Np=136.7，取值140 匝。
次级匝数NS=[(Vout+Vd)(1-Dmax)Np]/(ViminDmax)，其间Vout为各路输出电压值，Vd为输出整流二极管正向压降，典型值0.8 V。核算得次级匝数别离为：
26 匝(+24 V输出)，17 匝(±15 V输出)。
3.2.4 核算初级电感量
初级绕组流过的峰值电流
3.3 反应操控回路规划
本规划的反应操控回路首要包含光耦PC817、稳压管TL431和TOP224YN，作业办法是经过采样电压与TL431的基准电压进行比照，改动TL431阴极电位的巨细，使得流经PC817的电流值产生变化，从而导致TOP224YN上的操控电流Ic的值产生相应改动，调理占空比，操控开关管的导通时刻，完成稳压。
确认完操控战略今后，首要是核算回路中各电阻的阻值。依据公式Vref=[R22/(R20+R22)]/Vout，其间Vref为稳压源TL431供应的参阅端电压，为2.5 V;Vout=24 V为正常输出电压;取R22为7.5 kΩ，得到R20=64.5 kΩ。TOP芯片上的操控端电流Ic为4 mA，依据对应联系得到流过光耦的正向电流If=3 mA，又依据R19=(Vr18+Vf)/(Ika–If)，其间Vr18为电阻R18上的压降，因为R18=1 kΩ，则Vr18= If×R18=3 V;Vf为PC817中二极管的正向压降，典型值为1.2 V;Ika为采样支路电流，取7.2 mA;R18=1 kΩ，可得R19=1 kΩ。依据功耗方面考虑，R19应小于1.2 kΩ，故满意规划条件。
4 样机测验成果及剖析
对规划的开关电源样机功用进行测验，别离测验在轻载、半载、重载和满载情况下的开关管作业波形、输出电压及纹波等。本文列出满载情况下的测验波形图。
图3~图5给出了实测波形。由图可见当外部MOSFET栅源极电压为正时，操控芯片内部MOSFET漏源极导通;反之，内部MOSFET接受338 V电压，挨近其耐压值的一半，满意运用条件，也确保了外部MOSFET的接受电压在900 V的耐压值规模之内，作业安稳。满载情况下纹波电压为294 mV，小于1.23%，满意规划要求。
经过调试剖析，该电源作业安稳，功用优秀，可为电源供应体系供应安稳电压。
5 定论
本文规划了一款依据TOP224YN的380V沟通输入，+24 V，±15 V三路输出的反激式辅佐电源。经过具体的剖析推导，选取适宜的元器件，经过Saber仿真验证了参数选取的正确性。样机实测成果表明，电源各项目标均符合要求，输出安稳，功用杰出，此电源已被运用在电火花机床电源供应体系中，作为体系的辅佐电源运用。本规划中选用的PWM操控芯片外接单管MOSFET的办法对较大输入电压的电源的规划具有必定的指导意义。
参阅文献：
[1]Sanjaya Maniktala著,王建强等译.通晓开关电源规划[M].北京：人民邮电出版社.2015:81-235.
[2]徐艳霞.依据TOP Switch反激式高精度开关电源的规划[J].通讯电源技能,2012,29(06):33-35+38.
[3]张维.单端反激式开关电源研讨与规划[D].西安电子科技大学,2011:14-25.
[4]胡志强,王改云,王远.多路单端反激式开关电源规划[J].现代电子技能,2013,36(14):162-165+170.
[5]闫福军,梁永春.一种光伏发电体系中辅佐电源规划[J].电力电子技能,2010,44(08):14-16.
[6]张宇翔,王晖辉,卢景霄,郭敏.宽作业电压反激式变换器的规划[J].电力电子技能,2004(04):59-61.
[7]陈永真,陈之勃,等.反激式开关电源规划、制造、调试[M]. 北京:机械工业出版社,2014.4:149-158.
[8]徐纪太,黄传东,夏东伟,高斌.宽输入规模大功率双管反激辅佐电源规划[J].通讯电源技能,2015,32(06):117-119.
本文来源于《电子产品世界》2018年第10期第53页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
