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1、 摘 要介绍一种基于TOPSwitch-GX的变频器专用开关稳压电源。该电源给系统控制板以及IGBT驱动电路供电，并保证该开关电源的电压稳定。文中主要介绍了TOPSwitch-GX系列芯片的特点、工作原理以及开关电源的设计，并着重分析了变压器的设计。该开关电源经现场检验，性能良好，满足设计的要求。关键词：开关电源；变压器设计；TOPSwitchGX目 录引言11开关电源的分类22.TOPSwich-GX系列简介42.1 TOPSwitch-GTOPSwich性能特点42.2 TOPSwitch-GX的引脚42.3 TOPSwitch-GX内部框图及其原理63基于TOP249Y组成的使用电路工作
2、原理及设计133.1 TOP249Y主要性能参数133.3 TOP249Y外围电路设计153.4 TOP249Y 保护电路和补偿电路设计153.5抗干扰电路的设计163.6 输出滤波电路的设计163.7反馈控制电路设计164 实验与结论17结束语18参考文献19致 谢20引言随着电力电子技术的发展,开关电源以其效率高,体积小等特点逐渐取代了传统的线性稳压电源。开关电源的转换器分为正激、反激、推挽、全桥和半桥五种带变压隔离器的基本类型1,2。其中,在中小功率场合,反激式DC/DC变换器应用非常广泛,如便携式电脑电源、POS机电源等3。它具有如下几个特点: 设计简单方便,不像正激式变换器需要磁能复
3、位回路。 有变压器电气隔离,可利用变比实现升降压,实现多路输出,以适应功率小、电压电流等级多的使用场合4。 TOPSwitch-GX系列是由美国电源集成公司生产的离线PWM开关芯片,它设计先进、功能完善,可设计输出250 W以下的单路或多路输出开关电源,典型应用于反激式变换器的设计中。它单片集成了功率场效应管以及完整的PWM控制电路,外围电路简单,使用非常灵活,设计的电源具有低成本、高效率、小尺寸的特点。 在外围电路的设计中,高频变压器的设计是非常重要的一环。本文将以该系列芯片的应用为例,详细介绍反激式变换器中高频变压器设计的原理和一般步骤。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和
4、关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得电源开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为电源开关电源提供了广阔的发展空间。开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外电源开关电源的发展与应用在节约能源、节约
5、资源及保护环境方面都具有重要的意义。本文介绍了一种基于TOPSswitch-GX的变频器开关电源。在电机调速控制器中，该电源提供功率开关元件的基极驱动电压和控制电路的工作电压。开关电源性能的好坏直接影响到电动机调速控制器的工作可靠性。 基于TOPSwitch-GX的变频器开关电源1开关电源的分类人们在开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件，边开发开关变频技术，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，DC/DC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国。内外均已成熟和标准化，并已得到用
6、户的认可，但AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。以下分别对两类开关电源的结构和特性作以阐述。1.1 DC/DC变换 DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式Ts不变，改变ton(通用)，二是频率调制方式，ton不变，改变Ts（易产生干扰）。其具体的电路由以下几类： Buck电路降压斩波器，其输出平均电压U0小于输入电压Ui，极性相同。 Boost电路升压斩波器，其输出平均电压U0大于输入电压Ui，极性相同。 BuckBoost电路降压或升压斩波器，其输出平均电压U0大于或
7、小于输入电压Ui，极性相反，电感传输。Cuk电路降压或升压斩波器，其输出平均电压U0大于或小于输入电压Ui，极性相反，电容传输。 当今软开关技术使得DC/DC发生了质的飞跃，美国VICOR公司设计制造的多种ECI软开关DC/DC变换器，其最大输出功率有300W、600W、800W等，相应的功率密度为(6.2、10、17)W/cm3，效率为（8090）。日本NemicLambda公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列，其开关频率为（200300)kHz，功率密度已达到27W/cm3，采用同步整流器（MOSFET代替肖特基二极管），使整个电路效率提高到90。 1.2AC/DC变
8、换 AC/DC变换是将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、FCC、CSA），交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限制AC/DC电源体积的小型化，另外，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决EMC电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求，由于同样的原因，高电压、大电流开关使得电源工作损耗
9、增大，限制了AC/DC变换器模块化的进程，因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。 AC/DC变换按电路的接线方式可分为，半波电路、全波电路。按电源相数可分为，单相、三相、多相。按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。 2.TOPSwich-GX系列简介 2.1 TOPSwitch-GTOPSwich性能特点该系列产品除具备TOPSwitchFX系列的全部优点之外，还将最大输出功率从75W扩展到250W，适合构成大、中功率的高效率、隔离式开关电源。 采用TO-220-7C封装的TOP242TOP249产品，新增加了线路检测端（L）和从外部设定极限电流端
10、（X）这两个引脚，用来代替TOPSwitchFX的多功能端（M）的全部控制功能，使用更加灵活、方便。 将开关频率提高到132kHz，这有助于减小高频变压器及整个开关电源的体积。 当开关电源的负载很轻时，能自动将开关频率从132kHz降低到30kHz（半频模式下则由66kHz降至15kHz），可降低开关损耗，进一步提高电源效率。 采用了被称作EcoSmart的节能新技术，显著降低了在远程通断模式下芯片的功耗，当输入交流电压是230V时，芯片功耗仅为1602.2 TOPSwitch-GX的引脚2.2.1 TOPSwitch-GX的引脚介绍图1所示是基于TOPSwitch-GX的反激式变换器框图。T
11、OPSwitch-GX芯片共有6个引脚,其中D和S引脚分别连接片内功率场效应管的漏极和源极。 图1 基于TOPSwitch-GX的反激式变换器框图 L为线监测引脚,使用时必须串联电阻至输入直流电源正极。改变串联电阻的大小,可自由匹配欠电压门槛值、过电压门槛值。设计变压器时,可根据串联电阻上流过的最小电流,查芯片手册中的曲线图,确定其工作的最大占空比。当L引脚与S引脚短接时,该管脚所有功能都被禁用。 F为开关频率选择引脚。当它与S引脚连接时,开关工作在132 kHz;而与C引脚连接时,开关工作在66 kHz,这样也就确定了高频变压器的工作频率。 X引脚用于调节外电流极限、远程开关和同步。与L引脚
12、类似,当它与S引脚短接时,将禁用该管脚所有功能。 输出端电压信号经过采样、转化,形成反馈电流输入芯片的控制引脚C,再由芯片内部加工后,改变驱动功率场效应管的PWM信号,实现电流反馈控制,稳压输出。 在设计高频变压器时,必须充分考虑到TOPSwitch-GX工作频率等参数以及外围元件取值,这样才能使整个开关电源更为稳定、高效地运行。图1 T02207C2.2.2 TOPSwitchGX引脚功能 控制端（C）:用于调节占空比的误差放大器与电流输入脚。在正常操作期间通过连接至内部分流调节器来提供内部偏置电流，也可作为电源的旁路和自动重起/补偿电容的连接点。线路检测端（L）：L端具有过压保护、欠压保护
13、和远程通/断控制功能。极限电流设定端(X):用于对外部电流设定调整，在X端与源极(S)之间接入不同的电压，可使开关电流设定为不同的数值。源极（S）:连接至输出MOSFET源极时可得到高压功率回馈。开关频率选择端(F)：用于选择开关频率的输入引脚，连接至源极(S)时为132khz，连接至控制端(C)时为66khz。在某些特殊场合将开关频率下降看减少干扰。漏极(D)：MOSFET管漏极输出。高压电流源通过此脚为内部电路提供启动偏置电流 2.3 TOPSwitch-GX内部框图及其原理图2 TOPSwitchGX Y型封装的内部结构图采用Y封装的TOPSwitch-GX系列产品，其内部框图如图2所示
14、。电路主要由18部分组成控制电压源，带隙基准电压源，频率抖动振荡器， 并联调整器误差放大器脉宽调制器（含PWM比较器和触发器）， 过流保护电路，门驱动级和输出级，具有滞后特性的过热保护电路， 关断自动重起动电路，高压电流源，软起动电路， 欠压比较器，电流极限比较器， 线路比较器，线路检测端和极限电流设定端的内部电路， 轻载时自动降低开关频率的电路， 停止逻辑，开启电压为1V的电压比较器。2.4 TOPSwitch-GX的应用2.4.1高效率70W通用开关电源模块 TOPSwitchGX适合制作低成本、高效率、小尺寸、全密封式开关电源模块或电源适配器（adapter）。由TOP249Y构成的密封式70W（19V，3.6A）通用开关电源模块，电路如图1所示。当环境温度不超过40时，模块的外形尺寸可减小到10.5mm5.5mm2.5mm。设计的交流输入电压范围是85V265V，这属于全世界通用的电压范围。该电源能同时实现输入欠压保护、过压保护、从外部设定极限电流、降低最大占空比等功能，其主要技术指标为： 额定输出功率 PO=70W负载调整率 SI=4电源效率 84当交流输入电压U=85V时,满载效率可达85当U=230V时，电源效率高达90 空载功率损耗0.52W（U=230V时）； 图3高效率70W通用开关电源模块电路
