先上图:
由TOP247YN构成的三路隔离输出+ 15V、+15V和+5V开关电源电路如图所示。其输入电压变化范围为20-30V DC和85-265V AC。
整流桥型号为RS205,参数为反向耐压600V,最大可通过电流2A。
初级保护电路由箝位电路(D5、D8)构成,能有效抑制因高频变压器存在漏感而产生的尖峰电压,保护TOP247YN内部的功率开关管不受损坏。D8采用P6KE200A型瞬变电压抑制二极管(TVS),其反向击穿电压UB=200V。V5选用的是UF4007型超快恢复二极管(SRD)。
C5为VCC端的旁路电容。
D6和C13组成反馈线圈输出端的高频整流滤波器。
次级高频整流管采用大电流、低压降的肖特基二极管,型号为21DQ10(3A/100V)。同时还使用了UF4007。后面还有滤波电路,输出端接有假负载。
铁氧体磁芯型号为EE25。为防止发生磁饱和现象,需要加入一定的气隙。
二.可以改进的方面
以上是直接测绘的变送器开关电源部分电路得到的电路图。经过分析,还有可以改进的地方,主要有以下两个方面。
1. 还可以在变压器的初级加上RC吸收电路,即在D8上并联R=68kΩ/2W,C=4.7nF/1000V。
2. 输出滤波部分,滤波电容值较小、没有接电感,这样会导致输出电压波动较大,而且在输出端接有保险管,不知是何用意。
三.核心部分的分析计算
另外,还有两个需要注意的方面,需要进行更加详细的分析和计算,才能对电路的工作原理有更加深入的认识。
1. TOP247YN的外部管脚接法。
TOP247YN属于PI(Power Integration)公司推出的第四代TOPSwitch-GX系列单片开关电源芯片。芯片共有六个引脚,除了必需的C(控制)、D(漏极)、S(源极)外,还具有三个特色引脚L(线电压检测)、X(外部限流)、F(频率)。线电压检测引脚可以实现过压(OV)、欠压(UV)等功能;外部限流引脚可以实现外部限流调节、远程开/关控制;频率引脚可以控制开关频率为66kHz或者132kHz。
在本电路中,线电压检测引脚接至源极引脚则禁用此引脚的所有功能。频率引脚接至源极则开关频率为132kHz。外部限流引脚所接电阻R=27kΩ,对应的限流为Ilimit = 40%×3.60 = 1.44A。
2. 高频变压器的设计,即变压器的尺寸和漆包线的线径、匝数等参数,与这些参数密切相关的还有电源的输出能力,即每一路的输出电流。
步骤1求CORE(磁芯) AP=AW*Ae=(Pt*10000)/(2ΔB*fs*J*Ku) 传递功率Pt = Po /η +Po
J:电流密度A/cm2(300~500)一般取350到400,Ku:绕组系数0.2~0.5一般取0.4,η=0.75~0.85,一般取0.8,△B = 0.185 T 一般取0.2附近以下
Pt = Po /η +Po = 12.375W AP = AW*Ae = (12.375*10000)/(2*0.185*132*350*0.4) = 0.00335 (cm²)
步骤2估算临界电流 IOB( DCM / CCM BOUNDARY,临界模式取60~80%之间,可取0.75 )
0.75 * 0.5 = 0.375 A
步骤 3 求匝数比 N = [VIN(min) / (Vo + Vf)] * [Dmax / (1-Dmax)]
此处取直流输入,将纹波计入,Vo,主要输出电压,Vf,二极管管压降,取0.7V
VIN(min)= 85.16 V
匝比 N = [85.16 / (5 + 0.7)] * [0.48 / (1-0.48)] = 13.79
步骤4 求CCM / DCM临界状态之副边峰值电流ΔISB
ΔIsb = 2Iob / (1-Dmax) = 1.44 A
步骤5 计算次级电感 Ls 及原边电感 Lp
Ls =(Vo + Vf)(1-Dmax) * Ts / Δisb = (5 + 0.7)(1 – 0.48) * 7.6*10e-6 /1.44 = 15.6 uH
此处Vf为二极管管压降0.7V,Ts为开关周期 1/Fs
Lp = n^2*Ls= 2974uH 修正值→ 3 mH
步骤6 求CCM时副边峰值电流ΔIsp.CCM时原边峰值电流ΔIpp
ΔIsp = Io(max)/(1-Dmax)+(ΔISB/2) = 0.5 / 0.52 + 1.44 / 2 = 1.68A
ΔIpp= ΔIsp/N = 0.12 A
步骤7 计算各绕组线径线股数线径
此处查线径规格表,用流过最大平均电流除以设定的电流密度,为消除集肤效应,线径最好不要超0.5,视开关频率而定,此处可查相关资料
πR² = 0.5 / 350 得 R = 0.21mm 集肤效应铜导线的穿透深度为△=66.1 / [sqrt(fs)] = 0.18mm
可见不能使用单股漆包线,这里有两种选择一是用多股线,另一种是用多股并绕。选用多股并绕。
计算初级Np线径=1 * 0.18(根数*直径)
计算次级Ns1线径=4 * 0.1
计算次级Ns2线径=1 * 0.18
步骤8 确定Np、Ns,(每匝伏特数Va = (Vo + Vf) / Ns)
1) Np = Lp * ΔIpp / (ΔB* Ae)= 104
2) Ns = Np / n =7.54 修正 8T
3) Ns2=(Vo2+Vf)/Va=20.77 修正 21T
4)Nvcc = (Vcc + Vf) / Va = 16.79 修正 17T
匝数的选取只是近似值,实际试验中应对其进行细小调整,使其达到最佳