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基于TOP249Y芯片的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)
摘要：介紹了一種采用TOP249Y智能控制集成芯片設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源的方法，同時(shí)介紹了TOP249Y芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理，給出了基于TOP249Y的單端反激式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)電路，并對(duì)外圍電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析說(shuō)明。關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)電源；TOP249Y；脈寬調(diào)制；TOP Switch
１ 引言
隨著ＰＷＭ技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，開(kāi)關(guān)電源得到了廣泛的應(yīng)用，以往開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)通常采用控制電路與功率管相分離的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但這種方案存在成本高、系統(tǒng)可靠性低等問(wèn)題。美國(guó)功率集成公司?ＰＯＷＥＲ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ Ｉｎｃ?開(kāi)發(fā)的ＴＯＰ Ｓｗｉｔｃｈ系列新型智能高頻開(kāi)關(guān)電源集成芯片解決了這些問(wèn)題，該系列芯片將自啟動(dòng)電路、功率開(kāi)關(guān)管、ＰＷＭ控制電路及保護(hù)電路等集成在一起，從而提高了電源的效率，簡(jiǎn)化了開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)和新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，使開(kāi)關(guān)電源發(fā)展到一個(gè)新的時(shí)代。文中介紹了一種用ＴＯＰ Ｓｗｉｔｃｈ的第三代產(chǎn)品ＴＯＰ２４９Ｙ開(kāi)發(fā)變頻器用多路輸出開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法。
２ ＴＯＰ２４９Ｙ引腳功能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)
２．１ ＴＯＰ２４９Ｙ的管腳功能(范文先生網(wǎng)www.qkfawen.com收集整理)
ＴＯＰ２４９Ｙ采用ＴＯ－２２０－７Ｃ封裝形式，其外形如圖１所示。它有六個(gè)管腳，依次為控制端Ｃ、線路檢測(cè)端Ｌ、極限電源設(shè)定端Ｘ、源極Ｓ、開(kāi)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(shí)，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(shí)，利用該端可激發(fā)輸入電流，同時(shí)該端也是旁路、自動(dòng)重啟和補(bǔ)償電容的連接點(diǎn)。
線路檢測(cè)端Ｌ：輸入電壓的欠壓與過(guò)壓檢測(cè)端，同時(shí)具有遠(yuǎn)程遙控功能。ＴＯＰ２４９Ｙ的欠壓電流ＩＵＶ為５０μＡ，過(guò)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(hù)值為５０ＶＤＣ，過(guò)壓保護(hù)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(kāi)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(kāi)關(guān)允許流過(guò)的電流將變小。
源極Ｓ：連接內(nèi)部ＭＯＳＦＥＴ的源極，是初級(jí)電路的公共點(diǎn)和電源回流基準(zhǔn)點(diǎn)。
開(kāi)關(guān)頻率選擇端Ｆ：當(dāng)Ｆ端接到源極時(shí)，其開(kāi)關(guān)頻率為１３２ｋＨｚ，而當(dāng)Ｆ端接到控制端時(shí)，其開(kāi)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(dòng)時(shí)可通過(guò)內(nèi)部高壓開(kāi)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(zhǔn)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(mén)驅(qū)動(dòng)級(jí)和輸出級(jí)、過(guò)流保護(hù)電路、過(guò)熱保護(hù)電路、關(guān)斷／自動(dòng)重起動(dòng)電路及高壓電流源等部分組成。
３ 基于ＴＯＰ２４９Ｙ的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)
筆者利用ＴＯＰ２４９Ｙ設(shè)計(jì)了一種新型多路輸出開(kāi)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(jì)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(jiàn)，選擇ＴＯＰ２４９Ｙ能夠滿(mǎn)足要求。
３．１ 外圍控制電路設(shè)計(jì)
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(kāi)關(guān)頻率為１３２ｋＨｚ。
圖2
在線路檢測(cè)端Ｌ與直流輸入Ｕｉ端連接一２ＭΩ的電阻Ｒ１可進(jìn)行線路檢測(cè)，由于ＴＯＰ２４９Ｙ的欠壓電流ＩＵＶ為５０μＡ，過(guò)壓電流Ｉａｖ為２２５μＡ，因此其欠壓保護(hù)工作電壓為１００Ｖ，過(guò)壓保護(hù)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(dòng)關(guān)閉。
３．２ 穩(wěn)壓反饋電路設(shè)計(jì)
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?xún)?nèi)，反饋電壓由５Ｖ／１２Ａ輸出端取樣。電壓反饋信號(hào)Ｕ０通過(guò)電阻分壓器Ｒ９、Ｒ１１獲得取樣電壓后，將與ＴＬ４３１中的２．５Ｖ基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較并輸出誤差電壓，然后通過(guò)光耦改變ＴＯＰ２４９Ｙ的控制端電流ＩＣ，再通過(guò)改變占空比來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓Ｕ０使其保持不變。光耦的另一作用是對(duì)冷地和熱地進(jìn)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(fù)載較重時(shí)，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(jì)
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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(mǎn)足１３２ｋＨｚ開(kāi)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(jí)繞組應(yīng)相間繞制。
高頻變壓器的設(shè)計(jì)由于要考慮大量的相互關(guān)聯(lián)變量，因此計(jì)算較為復(fù)雜，為減輕設(shè)計(jì)者的工作量，美國(guó)功率公司為ＴＯＰ Ｓｗｉｔｃｈ開(kāi)關(guān)電源的高頻變壓器設(shè)計(jì)制作了一套ＥＸＣＥＬ電子表格，設(shè)計(jì)者可以方便地應(yīng)用電子表格設(shè)計(jì)高頻變壓器。
３．４ 次級(jí)輸出電路設(shè)計(jì)
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(kāi)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(jí)ＬＣＣ濾波環(huán)節(jié)。
３．５ 保護(hù)電路設(shè)計(jì)
本電源除了電源控制電路ＴＯＰ２４９Ｙ本身所具備的欠壓、過(guò)壓、過(guò)熱、過(guò)流等保護(hù)措施外，其外圍控制電路也應(yīng)有一定的保護(hù)措施。用Ｄ３、Ｒ１２、Ｑ１可構(gòu)成一個(gè)５．５Ｖ的過(guò)壓檢測(cè)保護(hù)電路。這樣，當(dāng)５Ｖ輸出電壓超過(guò)５．５Ｖ時(shí)，Ｄ３擊穿使Ｑ１導(dǎo)通，從而使光耦電流增大，進(jìn)而增大了控制電路ＴＯＰ２４９Ｙ的控制端電流ＩＣ，最后通過(guò)內(nèi)部調(diào)節(jié)即可使輸出電壓下降到安全值。
圖3
為防止在開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，ＴＯＰ２４９Ｙ關(guān)斷時(shí)漏感產(chǎn)生的尖峰電壓使ＴＯＰ２４９Ｙ損壞，電路中設(shè)計(jì)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(hù)網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)在正常工作時(shí)，ＶＲ１上的損耗很小，漏磁能量主要由Ｒ２和Ｒ３承擔(dān)；而在啟動(dòng)或過(guò)載時(shí)，ＶＲ１即會(huì)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(cè)試及結(jié)果分析
根據(jù)以上設(shè)計(jì)方法，筆者對(duì)采用ＴＯＰ２４９Ｙ設(shè)計(jì)的多路輸出開(kāi)關(guān)電源的性能進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該電源工作在滿(mǎn)載狀態(tài)時(shí)，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(guò)了以往采用控制電路與功率開(kāi)關(guān)管相分立的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式的開(kāi)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(kāi)關(guān)ＭＯＳＦＥＴ以及多種保護(hù)電路，所以采用該芯片設(shè)計(jì)出的開(kāi)關(guān)電源具有成本低、外圍線路簡(jiǎn)單、體積小、效率及可靠性高等特點(diǎn)，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(jì)的開(kāi)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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