解放軍信息工程大學(xué) 李現(xiàn)兵 牛忠霞 李建兵 黃娟
前言
一般情況下，以TOP開關(guān)器件為代表的開關(guān)電源芯片，其漏極D和變壓器初級的一端相接。由于漏感引起的反峰電壓反射到變壓器的初級，將直接加在漏極上，而反峰電壓與輸出電壓有關(guān)，即輸出電壓越高，反峰電壓也越高，對于漏極與源級之間耐壓只有幾百伏的TOPSwitch器件來說，過高的電壓很容易將其擊穿，因此，采用TOPSwitch器件制作的開關(guān)電源，大多數(shù)采用低壓小功率輸出。本文通過改進(jìn)電路，實現(xiàn)了TOPSwitch器件在高壓開關(guān)電源中的應(yīng)用。
TOPSwitch－Ⅱ工作原理
TOPSwitch－Ⅱ系列可廣泛應(yīng)用于各種通用及專用開關(guān)電源、待機(jī)電源、開關(guān)電源模塊中。它將PWM控制系統(tǒng)的全部功能集成到三端芯片中，內(nèi)含脈寬調(diào)制器、MOSFET、自動偏置電路、保護(hù)電路、高壓啟動電路和環(huán)路補(bǔ)償電路。通過高頻變壓器使輸出端與電網(wǎng)完全隔離，真正實現(xiàn)了無功頻變壓器TOPSwitch－Ⅱ不需要外接大功率的過流檢測電阻，也不必提供啟動時的偏置電流。它采用漏級開路輸出方式，利用電流來線性調(diào)節(jié)占空比，是電流控制型開關(guān)電源。
脈沖調(diào)制式開關(guān)電源的基本原理如圖1所示。交流220V輸入電壓經(jīng)過整流濾波器變?yōu)橹绷麟妷篤1，再由功率開關(guān)管VT（或MOSFET）斬波、高頻變壓器T降壓，得到高頻矩形波，最后通過輸出整流濾波器VD、C2，獲得所需的直流輸出電壓V0。脈寬調(diào)制器是這類開關(guān)電源的核心，它能產(chǎn)生頻率固定而脈沖寬度可調(diào)的驅(qū)動信號，控制功率開關(guān)管的通斷狀態(tài)，以調(diào)節(jié)輸出電壓的高低，達(dá)到穩(wěn)壓目的。鋸齒波發(fā)生器提供時鐘信號，利用誤差放大器和PWM比較器構(gòu)成閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，假如由于某種原因致使V0下降，脈寬調(diào)制器就改變驅(qū)動信號的脈沖寬度，即改變占空比D，使斬波后的平均電壓升高，導(dǎo)致V0上升，反之亦然。
TOPSwitch－Ⅱ的應(yīng)用
依據(jù)TOPSwitch電路的特性，本文實現(xiàn)了一路高壓與一路低壓的雙路輸出電源。對于高壓輸出，采用了二次升壓和6倍壓整流的方法來獲得其中的一路直流高壓輸出：2500V/40mA，由于本文只對TOPSwitch的高壓應(yīng)用進(jìn)行探討，該路輸出電壓精度不作要求；另外一路低壓輸出為6V/1A，精度優(yōu)于1％，由于高壓部分精度要求不高，因此，可以直接輸出，但是低壓部分精度要求較高，因此，在該路電壓輸出端，通過取樣電阻對輸出電壓進(jìn)行采樣，輸入采用TL431。TL432是一個有良好熱穩(wěn)定性的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源，它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意設(shè)置從Vref（2.5V）到36V范圍內(nèi)的任何值。取樣電壓通過光耦隔離后送入TOPSwitch的控制端。光耦供電電壓可以利用變壓器次級輸出電壓供電。
本方案采用基于TOPSwitch－Ⅱ的反激變壓器來實現(xiàn)。通過一個變壓器的多副邊繞組得到所需要的雙路輸出電壓，另外，兩路輸出電壓處在不同電位上，他們之間的電壓差很大，因此，變壓器的隔離度要求很高，這也是該電源的一個實現(xiàn)難點。
TOPSwitch芯片的選擇
本電源的輸入電壓為270VDC，在該系列所要求的電壓范圍內(nèi)。對芯片的選擇主要是考慮功率的需要，輸出功率PO約為110W，考慮一定的裕度，本方案選擇TOP226Y芯片，具體實現(xiàn)電路如圖2所示。
反饋電路設(shè)計
反饋電路的形式由輸出電壓精度決定，本方案中的“光耦＋TL431”可以把輸出電壓精度控制在±1％。電壓反饋信號經(jīng)分壓網(wǎng)絡(luò)引入TL431的Ref端，轉(zhuǎn)化為電流反饋信號，經(jīng)過光耦隔離后輸入TOPSwitch的控制端。
光耦工作在線性狀態(tài)，起隔離作用，如果所選的光耦的電流放大率上限超過200％，容易造成TOPSwitch過壓保護(hù)。相反，若其下限小于40％，占空比D將不能隨反饋電流的增加而減小，從而導(dǎo)致過流。因此，應(yīng)選擇電流放大率范圍接近100％的光耦。
TOPSwitch使用注意事項
應(yīng)用中，TOP開關(guān)的源腳引線盡可能短，旁路電容要盡可能靠近源腳和控制腳，源腳應(yīng)單點接地。
開關(guān)關(guān)斷時，為了減小漏極峰值電壓和漏極沖擊激勵振蕩電壓，漏感較大的高頻變壓器初級必須加入阻尼電阻。
測試時，TOP開關(guān)器件不能直接插入加有高電壓的插座內(nèi)。在印刷電路板上，控制腳外接電容器能夠把較大的浪涌電流傳輸?shù)接|發(fā)器和關(guān)斷鎖存器。從而關(guān)斷TOP開關(guān)。
開關(guān)電源輕載或空載時，輸出MOSFET導(dǎo)通時間很短，為了使輸出電壓保持在設(shè)計范圍內(nèi)，該開關(guān)電源必須外加一個很小的負(fù)載。
結(jié)語
TOPSwitch－Ⅱ作為一種集成芯片，大大簡化了開關(guān)電源的設(shè)計流程，不僅能用于低壓電源，也可以用于高壓電源。
