基于TOP227Y芯片的單端反激式開關(guān)電源制作

1、基于TOP227Y芯片的單端反激式開關(guān)電源前 言雖然身邊到處充斥著電子設(shè)備，所有空間幾乎都被各種電磁波覆蓋，但是從來(lái)沒有真正留意過什么。后來(lái),因?yàn)榕紶栃枰遗笥丫S修一些電子設(shè)備，加之有培養(yǎng)孩子學(xué)一些電子電路知識(shí)的想法，于是就在不經(jīng)意間走近了“近在咫尺卻又遠(yuǎn)在天邊”的電子世界。開始是基于簡(jiǎn)單的需要，利用工頻變壓器和LM317自己設(shè)計(jì)制作了帶呼吸燈的直流穩(wěn)壓電源比較粗糙。后來(lái)因?yàn)橐脑燔囕d點(diǎn)煙器的手機(jī)充電接口，又基于34063自制車載手機(jī)充電板，使用中發(fā)現(xiàn)34063做的充電板雖然基本滿足使用要求。但是一直存在芯片明顯發(fā)熱的問題，偶爾還有電感噪聲。于是基于LM2596再做車載手機(jī)充電板。從制作中了解

2、到LM2596系列是3A電流輸出降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片，它內(nèi)含固定頻率振蕩器（150KHZ）和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器（1.23v），并具有完善的保護(hù)電路、電流限制、熱關(guān)斷電路等。利用該器件只需很少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。這時(shí)才第一次聽說(shuō)“開關(guān)電源”（開始還以為就是帶機(jī)械開關(guān)的電源呢，呵呵）。上網(wǎng)查閱資料，學(xué)習(xí)，嘗試，自己終于制成了一款真正的開關(guān)電源。知識(shí)超市1、單激式變壓器開關(guān)電源變壓器開關(guān)電源的最大優(yōu)點(diǎn)是，變壓器可以同時(shí)輸出多組不同數(shù)值的電壓，改變輸出電壓和輸出電流很容易，只需改變變壓器的匝數(shù)比和漆包線截面積的大小即可；另外，變壓器初、次級(jí)互相隔離，不需共用同一個(gè)地。因此，變壓器開關(guān)電源也有人把

3、它稱為離線式開關(guān)電源。這里的離線并不是不需要輸入電源，而是輸入電源與輸出電源之間沒有導(dǎo)線連接，完全是通過磁場(chǎng)偶合傳輸能量。變壓器開關(guān)電源采用變壓器把輸入輸出進(jìn)行電器隔離的最大好處是，提高設(shè)備的絕緣強(qiáng)度，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)還可以減輕EMI 干擾，并且還容易進(jìn)行功率匹配。變壓器開關(guān)電源有單激式變壓器開關(guān)電源和雙激式變壓器開關(guān)電源之分，單激式變壓器開關(guān)電源普遍應(yīng)用于小功率電子設(shè)備之中，因此，單激式變壓器開關(guān)電源應(yīng)用非常廣泛。而雙激式變壓器開關(guān)電源一般用于功率較大的電子設(shè)備之中，并且電路一般也要復(fù)雜一些。單激式變壓器開關(guān)電源的缺點(diǎn)是變壓器的體積比雙激式變壓器開關(guān)電源的激式變壓器的體積大，因?yàn)閱渭な介_關(guān)

4、電源的變壓器的磁芯只工作在磁回路曲線的單端，磁回路曲線變化的面積很小。2、單片開關(guān)電源的簡(jiǎn)單原理單片開關(guān)電源由于具有單片集成化、最簡(jiǎn)外電路、最佳性能指標(biāo)、無(wú)工頻變壓器、能完全實(shí)現(xiàn)電氣隔離等顯著特點(diǎn)，顯示出強(qiáng)大的生命力，倍受人們青睞，是開關(guān)電源的發(fā)展方向。目前,它已成為國(guó)際上開發(fā)290W以下高效率中、小功率開關(guān)電源、精密開關(guān)電源、特種開關(guān)電源及電源模塊的優(yōu)選集成電路。 TOP227Y是PI公司1997年推出了TOP Switch 系列器件中一款輸出功率比大的芯片，其封裝形式是TO-220，自帶小散熱片，是典型的三端集成器件，三個(gè)管腳分別為控制端C（control）、源極S（source）、漏極D

5、(drain)，其內(nèi)部功率MOSFET器件的耐壓值高達(dá)700V，可設(shè)計(jì)成150W以下儀器儀表的多路隔離式內(nèi)置控制電源。（現(xiàn)在該公司的產(chǎn)品已經(jīng)出到TOPSwitch-JX系列 型號(hào)是TOP264-271）TOP227Y的基本工作原理是利用反饋電流Ic來(lái)調(diào)節(jié)占空比D ，達(dá)到穩(wěn)壓目的。如當(dāng)輸出電壓Vo減小時(shí)，經(jīng)過反饋電路使得Ic降低，D增大，Vo升高，最終使Vo保持不變。本設(shè)計(jì)的原理圖如圖是用TOP227Y芯片設(shè)計(jì)的單端反激式開關(guān)電源的原理圖。輸入為220V AC（±15%），輸出為+12VDC 。由于TOPSwitch芯片集成度高，設(shè)計(jì)工作主要是外圍電路的設(shè)計(jì)。外圍電路基本分為輸入整流濾

6、波電路、鉗位保護(hù)電路、高頻變壓器、輸出整流濾波電路及反饋電路5部分。電路中交流濾波線圈為1033mH，采取雙線并繞。整流電路選擇整流橋，交流電源經(jīng)過BR1和C2整流濾波后產(chǎn)生直流高壓，給高頻變壓器的初級(jí)繞組供電。高頻變壓器初級(jí)繞組NP的極性與次級(jí)繞組NS、反饋繞組NF的極性相反。在TOPSwitch導(dǎo)通時(shí)，次級(jí)整流管VD4截止，此時(shí)電能以磁能量形式存儲(chǔ)在初級(jí)繞組中；當(dāng)TOPSwitch截止時(shí)，VD4導(dǎo)通，能量傳輸給次級(jí)。高頻變壓器在電路中兼有能量存儲(chǔ)、隔離輸出和電壓變換這三大功能。直流高壓 經(jīng)初級(jí)繞組加至TOPSwitch的漏極上。在功率MOSFET關(guān)斷瞬間，高頻變壓器漏感會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓，另外

7、在初級(jí)繞組上還會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓(即反向電動(dòng)勢(shì))，兩者疊加至內(nèi)部功率開關(guān)管MOSFET的漏極上，因此必須在漏極增加鉗位保護(hù)電路。鉗位電路由瞬態(tài)電壓抑制器或穩(wěn)壓管VR2和超快恢復(fù)二極管VD1組成。VR2和VD1能將漏感產(chǎn)生的尖峰電壓箝位到安全值。VR2采用反向擊穿電壓為200V的瞬態(tài)電壓抑制器P6KE200A，VD1選用1A/600V的超快恢復(fù)二極管BYV26C。當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，變壓器的初級(jí)極性上端為正，下端為負(fù)，從而導(dǎo)致VD4截止，因而鉗位電路不起作用。在MOSFET截止瞬間，初級(jí)極性則變?yōu)樯县?fù)下正，此時(shí)尖峰電壓就被VR2吸收掉。次級(jí)繞組電壓通過VD4、C9、C10、L2和C12、 C14整

8、流濾波，獲得12V輸出電壓Vo。輸出整流濾波電路由整流二極管和濾波電容、濾波電感構(gòu)成。輸出整流二極管的開關(guān)損耗占系統(tǒng)損耗的1/6多，是影響開關(guān)電源效率的主要因素，它包括正向?qū)〒p耗和反向恢復(fù)損耗。由于肖特基二極管反向恢復(fù)時(shí)間短，在降低反向恢復(fù)損耗以及消除輸出電壓中的紋波方面有明顯的性能優(yōu)勢(shì)，所以選用肖特基二極管MUR620CT作為整流二極管。 對(duì)輸出濾波電容，ESR（等效串聯(lián)阻抗）和紋波電流是它的兩個(gè)重要參數(shù)。當(dāng)電容兩端電壓小于35V時(shí)，ESR只與電容的體積有關(guān), 可以考慮使用高頻低阻電容。由于手里沒有這樣的電容，我采用兩個(gè)電解電容并聯(lián)降低內(nèi)阻的辦法。輸出濾波電感采用的是一個(gè)舊的拆機(jī)電感，測(cè)量

9、大約有10uH。它的作用主動(dòng)抑制開關(guān)噪聲的產(chǎn)生。為減少共模干擾，在輸出的地與高壓側(cè)的地之間接共模抑制電容，如圖中的C11 。反饋繞組電壓經(jīng)過VD2、C7整流濾波后獲得反饋電壓，經(jīng)光耦合器中的光敏三極管給TOPSwitch的控制端提供偏壓 。輸出電壓Vo通過電阻R13、R15分壓，與TL431中的2.5V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較后輸出誤差電壓，然后通過光耦去改變控制端電流。TOPSwitch的占空比D與Ic（控制電流）成反比。反饋電路是通過調(diào)節(jié)TOPSwitch的占空比實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的。關(guān)于反饋相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)為使PWM線性調(diào)節(jié)， 一般選PC817A二極管正向電流為3mA；TL431一般選20mA即可，不但可穩(wěn)定

10、工作，又能提供一部分死負(fù)載。設(shè)計(jì)的取值為：R12470，R3150，R1338K，R1510K。（由于除了470歐的電阻手里沒有其他對(duì)應(yīng)阻值，所以采用兩個(gè)300歐并聯(lián)代替R3，R15采用12K，R13采用47K。所以本設(shè)計(jì)實(shí)際輸出電壓為12.29V）若需增加軟起動(dòng)功能以限制開啟電源時(shí)的占空比，使Vo平滑地升高，應(yīng)在U2的兩端并聯(lián)一只軟起動(dòng)電容，容量范圍為4.7F47F。 在軟起動(dòng)過程中Vo是按照一定的斜率升高的，能對(duì)TOP227Y起到保護(hù)作用。 改變高頻變壓器的匝數(shù)比和U2的穩(wěn)壓值，還可獲得其他輸出電壓值。R7為12V輸出提供一個(gè)假負(fù)載，用以提高輕載時(shí)的負(fù)載調(diào)整率。其實(shí)本設(shè)計(jì)中可以不用這個(gè)R7

11、，可以在安裝元件時(shí)把它換成濾波電容。 實(shí)際制作PCB設(shè)計(jì)小常識(shí)開關(guān)電源PCB排版的要點(diǎn)1.旁路瓷片電容器的電容不能太大，而它的寄生串聯(lián)電感應(yīng)盡量小，多個(gè)電容并聯(lián)能改善電容的阻抗特性；2.電感的并聯(lián)電容應(yīng)盡量小，電感引腳焊盤之間的距離越遠(yuǎn)越好；避免在底層上放置任何功率或信號(hào)走線；3.高頻環(huán)路的面積應(yīng)盡可能減?。?.過孔放置不應(yīng)破壞高頻電流在底層上的路徑；5.系統(tǒng)板上不同電路需要不同接地層，不同電路的接地層通過單點(diǎn)與電源接地層相連接；6.控制芯片至上端和至下端場(chǎng)效應(yīng)管的的驅(qū)動(dòng)電路環(huán)路要盡量短；7.開關(guān)電源功率電路和控制信號(hào)電路元器件需要連接道不同的接地層，這兩個(gè)地層一般都是通過單點(diǎn)相連接。利用感光

12、板制作正在腐蝕中. .腐蝕完畢 涂阻焊層，制作絲印層，鉆孔，焊接，制作成品。以下兩部分電路是預(yù)留調(diào)試用的，沒有安裝元件。R8和C4構(gòu)成能量吸收回路，他們的設(shè)計(jì)決定著鉗位保護(hù)電路的類型R11和C8構(gòu)成緩沖電路，但是取值不當(dāng)會(huì)引起更大的振蕩。由于沒有示波器，無(wú)法測(cè)量輸出波紋有多大，也沒有設(shè)備去測(cè)量噪聲如何。只是用萬(wàn)用表測(cè)量空載輸出12.29V,連接手機(jī)充電板，給手機(jī)充電從30%直至充滿 沒有問題。后記：制作成功的關(guān)鍵：一是變壓器的設(shè)計(jì)制作（該公司有專門的設(shè)計(jì)軟件，可惜已經(jīng)不支持II系列了）。我這里用的是一個(gè)現(xiàn)成二手的舊變壓器。另外就是PCB的設(shè)計(jì)很重要，自己去設(shè)計(jì)時(shí)才發(fā)現(xiàn)這里的學(xué)問太多了，學(xué)無(wú)止境

13、啊！附錄：制成電路板的尺寸大約是50mm*100mm。體積比一個(gè)工頻變壓器大不了多少。真是體積小，重量輕，效率高啊。 后來(lái)到朋友處用示波器測(cè)量，由于示波器比較古老，看不出直流輸出有明顯的波紋。猜測(cè)：該電源紋波電壓峰一峰值小于100mV？隨后又測(cè)試了帶載能力，持續(xù)點(diǎn)亮一個(gè)汽車前照鹵素大燈，55W，電壓一直非常穩(wěn)定在12.29V，比較理想。根據(jù)制成品和需要又重新微調(diào)了PCB布局：1、改變交流濾波電感的封裝，可以兼容手里兩種不同規(guī)格的電感2、進(jìn)一步縮小高頻回路的面積。關(guān)于開關(guān)電源變壓器次級(jí)大多采用“半波”整流方式的解釋 開關(guān)電源利用單激方式工作，即開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)變壓器儲(chǔ)能，截止時(shí)變壓器才釋能，所以變壓

14、器次級(jí)實(shí)際上輸出的是脈沖電而非正、負(fù)半周都有。所以采用半波足夠了！關(guān)于單片開關(guān)電源的選用本設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)Top-II系列芯片，換用TOP224Y（輸出功率75W）亦可。但是應(yīng)用輸出功率150W的TOP227Y，相當(dāng)于降額使用，這樣就可以降低導(dǎo)通損耗。關(guān)于假負(fù)載的討論1、加假負(fù)載是為解決空載振蕩的問題 原理： 單端反激電源在空載的情況下，在某些工作點(diǎn)處會(huì)發(fā)生振蕩現(xiàn)象，表現(xiàn)為變壓器的嘯叫或輸出的不穩(wěn)定。發(fā)生這種現(xiàn)象是由于空載或輕載時(shí)開關(guān)瞬時(shí)開通時(shí)間過大，造成輸出能量太大因此電壓過沖也很大。需要較長(zhǎng)的時(shí)間去恢復(fù)到正常電壓，因此開關(guān)需停止工作一段時(shí)間，這樣開關(guān)就工作于間歇性工作模式。為了解決這種振蕩而加假負(fù)載，這樣使得電壓過沖減小或消失。 但太大的假負(fù)載會(huì)使單端反激電源的效率降低，而且即使在輕載的情況下，在某一特定工作點(diǎn)也有可能發(fā)生振蕩2、高壓輕載情況下，是反激環(huán)路最惡劣的狀態(tài)，因?yàn)檫@時(shí)候主功率回路的極點(diǎn)頻率很低，增益曲線會(huì)以-20db/dec衰減而我們常常會(huì)在反激濾波電容的ESR零點(diǎn)頻率處增加一個(gè)極點(diǎn)來(lái)補(bǔ)償濾波電容的ESR零點(diǎn)，補(bǔ)償回路在ESR零點(diǎn)頻率后，會(huì)以-20db/dec衰減，而主功率回路，也會(huì)以-20db/dec衰減，這樣一來(lái)，總的開環(huán)增益會(huì)以-40db/dec衰減，穿過0db線，系統(tǒng)極容易發(fā)生震蕩。增加死負(fù)