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基于TopswitchⅡ芯片开关电源理论设计与仿真

2013-10-10 10:28 来源:电源网 编辑:娣雾儿

引言

直流稳压电源是现代电力电子系统中的重要组成部分,好的直流电源系统是高质量现代电子系统的重要保证。开关电源本身种类繁多,设计方法也复杂多样,因此研究一种简洁的方法去快速设计出所需要的通用型高效率,低廉价格的开关电源是很有必要的。

1 开关电源工作原理

开关直流稳压电源是基于方波电压的平均值与其占空比成正比以及电感、电容电路的积分特性而形成的。其基本工作原理是,先对输入交流电压整流,从而形成脉动直流电压,经过DC-DC 变换电路变压,再通过斩波电路形成了不同脉冲宽度的高频交流电,然后对其整流滤波输出需要电压电流波形。如果输出电压波形偏离所需值,便有电流或电压采样电路进行取样反馈,经过与比较电路的电压值进行参数比较,把差值信号放大,从而控制开关电路的脉冲频率f 和占空比D,以此来控制输出端的导通状态。因此,输出端便可以得到所需的电压电流值。

如图1, 将开关电源模块划分为以下几个部分。

根据电力系统的实际需要,通过对各个部分进行分析,便可以设计出相应的开关电源产品。

仿真1

图1 开关电源原理框图。

2 TOPSwitch 芯片的选型

在设计开关电源时,首先就要面临如何选择合适的开关电源控制芯片。在选择芯片的时候,要既能满足要求,又不因为选型造成资源的浪费。下面就介绍利用TopswitchⅡ系列开关电源的功率损耗( PD ) 与电源效率(η),输出功率( Po ) 关系曲线,快速选择芯片的型号,从而完成宽范围输入的通用开关电源的设计。

仿真2

图2 TOPSwitch芯片内部原理图。


3 等效输出功率的修正

PD ,η, Po 关系曲线均对交流输入电压的最小值进行了限制,umin = 85 V.如果交流输入电压最小值不符合上述的要求,就会直接影响芯片的正确选择。此时必须从实际的交流输入电压u? min最小值对应的功率P‘o 折算成umin为规定值时的等效功率Po,才能使用上面的图。功率修正的方法如下: 选择使用的特性曲线,然后根据已知的u’min值查出折算系数K;将P ‘o折算成umin为规定值时的等效功率Po,表达公式P o=P’o / K;然后从图3、图4 中选用适当的关系曲线。

仿真3

图3 宽范围输入时K 与u‘min 的关系。

例如设计12 V, 35 W 的通用开关电源,已知umin= 90% × 115 V = 103.5 V.从图5中查出K =1.15.将P ’o = 3.5 W, K = 1.15带入P o= P ‘o / K 中,计算出Po= 30.4 W; 再根据Po 的值,从图4 中查出选择的最佳型号是T OP224 芯片,此时η = 81.6%,PD= 2 W.如果选择了T OP223, 则η 降到73.5%,PD 增加到5 W, 显然不合适。如果选择T OP225 型,就会造成资源浪费,因为它比TOP224 的价格要高一些,而且适合输出40~ 60 W 的更大的功率。

4 应用电路及其仿真

图4给出了由TOPSwitch 构成的反激式电源的原理图。其工作过程如下: 输入交流电经整流桥BR1 整流后再经电容C1 滤波,变为脉动的直流电。

反激式变压器与TOPSwitch 将存储于电容C1 的能量传递给负载。当TOPswitch 开关管导通时,电容C1两端的电压加到反激变压器的原边,流过原边绕组的电流线性增加( 如若在MOSFET 开关管导通的瞬间变压器副边电流不为零,则由于副边感应电势反向,二极管D2 截止,副边电流变为零,然而磁芯内的能量不能突变,故原边电流跃变为副边电流的1/ K,K 为变压器变比),变压器储存能量;当MOSFET 开关管关断时,电感原边电流由于没有回路( 此时,稳压管VR1的击穿电压因高于原变压器的感应电势而截止) 而突变为零,变压器通过副边续流,副边电流为TOPswitch 开关管关断时原边电流的K倍,副边绕组通过二极管D2 对电容C2 充电,此后,流过变压器副边的电流线性下降。二极管D1 与稳压管VR1 并接于变压器的原边以吸收由于变压器原边的漏感而产生的高压毛刺。电阻R1、稳压管V R2、光耦U2 与电容C5 构成了电压反馈电路以保证输出电压稳定。电阻R2 与VR2 构成一假负载,以保证当电源空载或轻载时输出电压稳定。电感L1 与电容C3 构成LC 滤波器以防止输出电压脉动过大。二极管D3 与电容C4 构成一整流电路以提供光耦U2 光电三极管的偏置电压。电感L2 、电容C6 和C7 用于降低系统的电磁干扰( EMI) 。

仿真34

图4 反激式电源的应用原理图。


图5分别给出了输入电压220 V ( 交流),输出功率为40 W; 输入电压85 V ( 交流),输出功率为24 W和输入电压85 V( 交流),输出功率为40 W 时的输出电压波形。

仿真5

图5 不同电压输入条件下的电压仿真输出波形

5 结论

理论设计和仿真结果表明,基于topswitch 芯片设计的开关电源,输出波形较为稳定,而且电磁兼容性好,抗干扰能力强,适合小功率开关电源的设计制造。

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