我了解的PI产品中我认为最好的产品是TOP222G,它的输入电压为宽范围输入,输出功率不大于10W性能很是吸引我,我简单跟大家说一下我用这个产品做了多路输出单端反激式开关电源设计。
设计的开关电源将作为智能仪表的电源,最大功率为10 W。为了减少PCB的数量和智能仪表的体积,要求电源尺寸尽量小并能将电源部分与仪表主控部分做在同一个PCB上。 考虑l0W的功率以及小体积的因素,电路选用单端反激电路。单端反激电路的特点是:电路简单、体积小巧且成本低。单端反激电路由输入滤波电路、脉宽调制电路、功率传递电路(由开关管和变压器组成)、输出整流滤波电路、误差检测电路(由芯片TL431及周围元件组成)及信号传递电路(由隔离光耦及电阻组成)等组成。本电源设计成表面贴装的模块电源,其具体参数要求如下: 输出最大功率:10W 输入交流电压:85~265V 输出直流电压/电流:+5V,500mA;+12V,150mA;+24V,100mA 纹波电压:≤ 120mV
所谓单端是指TOPSwitch-II系列器件只有一个脉冲调制信号功率输出端—漏极D。反激式则指当功率MOSFET导通时,就将电能储存在高频变压器的初级绕组上,仅当MOSFET关断时,才向次级输送电能,由于开关频率高达100kHz,使得高频变压器能够快速存储、释放能量,经高频整流滤波后即可获得直流连续输出。这也是反激式电路的基本工作原理。而反馈回路通过控制TOPSwitch器件控制端的电流来调节占空比,以达到稳压的目的。
在设计时还对阈值电压采取了温度补偿措施,以消除因漏源导通电阻随温度变化而引起的漏极电流变化。当芯片结温大于135℃时,过热保护电路就输出高电平,关断输出极.此时控制电压Vc进入滞后调节模式,Vc端波形也变成幅度为4.7V~5.7V 的锯齿波.若要重新启动电路,需断电后再接通电路开关,或者将Vc降至3.3 V 以下,再利用上电复位电路将内部触发器置零,使MOSFET恢复正常工作. 采用TOPSwitch-II系列设计单片开关电源时所需外接元器件少,而且器件对电路板布局以及输入总线瞬变的敏感性大大减少,故设计十分方便,性能稳定,性价比更高。 对于芯片的选择主要考虑输入电压和功率。由设计要求可知,输入电压为宽范围输入,输出功率不大于10W,故选择TOP222G。
电源主电路为反激式,C1、L1、C2接在交流电源进线端,用于滤除电网干扰,C5接在高压和地之间,用于滤除高频变压器初、次级后和电容产生的共模干扰,在国际标准中被称为“Y电容”。C1跟C5都称作安全电容,但C1专门滤除电网线之间的串模干扰,被称为“X电容”。 为承受可能从电网线窜入的电击,可在交流端并联一个标称电压U1mA为275V的压敏电阻VSR。 鉴于在功率MOSFET关断的瞬间,高频变压器的漏感产生尖峰电压UL,另外,在原边上会产生感应反向电动势UOR,二者叠加在直流输入电压上。典型的情况下,交流输入电压经整流桥整流后,其最高电压UImax=380V,UL≈165V,UOR=135V,则UOR+UL+UOR≈680V。这就要求功率MOSFET至少能承受700V的高压,同时还必须在漏极增加钳位电路,用以吸收尖峰电压,保护TOP222G中的功率MOSFET。本电源的钳位电路由D2、D3组成。其中D2为瞬态电压抑制器(TVS)P6KE200,D3为超快恢复二极管UF4005。当MOSFET导通时,原边电压上端为正,下端为负,使得D3截止,钳位电路不起作用。在MOSFET截止瞬间,原边电压变为下端为正,上端为负,此时D1导通,电压被限制在200V左右。
以+5V输出环节为例,次级线圈上的高频电压经过UF5401型100V/3A的超快恢复二极管D7,由于+5V输出功率相对较大,于是增加了后级LC滤波器,以减少输出纹波电压。滤波电感L2选用被称作“磁珠”的3.3mH穿心电感,可滤除D7在反向恢复过程中产生的开关噪声。 对于其他两路输出,只需在输出端分别加上滤波电容。其中R3、R4分别为输出的假负载,它们能降低各自输出端的空载和轻载电压。
反馈回路主要由PC817和TL431及若干电容、电阻构成。其中U2为TL431,它为可调试精密并联稳压器,利用电阻R5、R6分压获得基准电压值。通过调节R5、R6的值可以调节输出电压的稳压值。C8为TL431的频率补偿电容,可以提高TL431的瞬态频率响应。C7为软启动电容,取C7=22mF时可增加4ms的软启动时间,在加上TOP222G本身已有的10ms软启动时间,则总共为14ms。 U3为PC817型线性光耦合器,其电流传输比(CTR)范围为80%~160%,能够较好地满足反馈回路的设计要求,而目前国内常用的4N25、4N26属于非线性光耦合器,不宜采用。反馈绕组上产生的电压经D4、C9整流滤波,获得非隔离式+12V输出,为PC817接收管的集电极供电。由于反馈绕组输出电流较小,次级采用D4硅高速开关管1N4148。光耦PC817能将+5V输出与电网隔离,其发射极电流送至TOP222G的控制端,用来调节占空比。 C3为控制端旁路电容,它能对控制回路进行补偿并设定自动重启频率。当C3=47mF时,自动重启频率为1.2Hz,即每隔0.83s检测一次调节失控故障是否已经被排除,若确认已被排除,就自动重启开关电源恢复正常工作。 R2为PC817中LED的外部限流电阻。实际上除了限流保护作用外,他对控制回路的增益也具有重要影响。当R2改变时,会依次影响到下列参数值:IF→IC→D→UO,也就相当于改变了控制回路的电流放大倍数。
该开关电源的输入特性数据见表1,在u=85~245V的宽范围内变化时,主路输出UO1=5V(负载为65W)的电压调整率SV=±0.2%,输出纹波电压最大值约为67mV;辅助输出UO2=24V(负载为250W),输出纹波电压最大值约为98mV;辅助输出UO3=12V(负载为100W),输出纹波电压最大值约为84mV。 同时,实验测得,主路输出UO1的最大输出电流可达700mA,辅助输出UO2的最大输出电流可达120mA,辅助输出UO3的最大输出电流可达170mA,电源功率可达8.4W,完全满足设计要求。