探讨如何设计新型高功率单片开关模块电源

1、功用特色与技能指标
  单片开关电源是国际上90年代才开端流行的新式开关电源芯片,但早期的单片开关电源芯片普遍运用于低功率的开关稳压电源。第三代单片开关电源TOP GX系列IC是美国功率集成公司于2000年头推出的新式高功率单片开关电源芯片,它除了坚持TOP?SwitchⅡ的根本特性外,即在单一CMOS芯片上集成了功率MOSFET、PWM操控器、毛病检查及其它操控电路外,还集成了许多内置的以及用户可装备的功用;在单电压输入时的最大输出功率进步到250W,电磁兼容功用也得到较大的进步。第三代单片开关电源TOP GX系列IC的主要功用特色与技能指标是:
  (1)TOPSwitch GX系列新增了如下内置功用:
  ①软起动:其作用是下降开启时的超调以及对元器材的冲击;
  ②频率抖动:下降EMI的峰值;
  ③较高的占空比允许更大的输出功率和运用较小的输入滤波电容;
  ④零负载调节才能,轻载时很高的功率使得待机时的功耗很低;
  ⑤滞后过热关断使器材可主动毛病康复。
  (2)TOPSwitch GX系列还增设了用户可装备的引脚,用于检查电网过、欠压,外部设置电流约束以及两种开关频率(132kHz和66kHz)的挑选。电网欠压维护、过压关断,以及经过电路反应电压的取样以下降输出纹波和在高输入电压时最大限度地减小占空比。经过外部电流约束引脚能够精确地减小功率MOSFET的电流,廉价地完成高功率。
  (3)别的TOPSwitch GX系列还选用节约能源的ECOSMART技能,该技能特别在待机及电源无负载条件下能够节约能源。下降能耗的功用包括长途ON/OFF功用,即经过遥控的方法操控电源的开闭,亦可完成外同步;在低负载时主动下降作业频率。这些功用已超越美国“ENERGYSTAR”的标准。
  因为TOPSwitch GX系列具有以上许多特色,因此可广泛用于中、低功率的开关稳压电源中。它不只电路简略,并且可靠性高,故在中、低功率电子设备中有着广泛的运用远景。
  2、管脚功用
  TOPSwitch GX系列的管脚摆放如图1所示,该系列有Y封装和P、G封装两种构造。从图上看出:关于Y封装的TOPSwitch?GX系列,其D、C、S管脚与原TOPSwitch系列开关命名相同,分别为漏极、操控极和源极,新添加的L、X、F管脚的功用如下:
  L:为输入电压的欠压与过压检查端,一起还具有长途遥控功用。如图2所示,若L端与输入电压正端接入2MΩ的电阻,则欠压维护值为:
 
 
Vuv=Iuv×RL=100V(1)
  过压维护值为:
Vov=Iov×RL=450V(2)
 
此外L端还具有长途遥控功用,只要在L、C端之间加一个三极管或光电耦合器即可完成长途遥控功用。
  X:为外部电流设定调整端。在X端与源极之间接入不一样的电阻值,则开关电流即限定为不一样的数值。若R2=12kΩ,则流过开关的电流被设定为额定值的69%;若R2=6kΩ,为额定值的90%;若R2=25kΩ,为额定值的43%。可见,当R2值增大时,则开关允许流过的电流要减小。
  F:为开关频率挑选端。当F端接到源极时,其开关频率为132kHz,当接到操控端时,其开关频率为66kHz。
  此外,TOPSwitch GX系列也能够当通常的三端TOP器材运用,此刻只要将L、X、F端一起与源极相接即可。但此刻新增用户可装备的功用悉数丧失。
  关于P、G封装的TOPSwitch GX系列开关都没有X、F端,而新增M端,其功用与Y封装中的L端功用相同。
  3 120W、24V开关电源模块的电路规划
  3.1 规划请求
  (1)输入电压:85V~265VAC,50Hz;
  (2)输出电压:16V~24VDC;
  (3)输出电流:5.0A;
  (4)电网调整率:±1%。
  3.2 规划过程
依据规划请求,现以图4上的原理图来阐明规划过程。
 
  (1)器材挑选
  依据规划请求挑选TOP248Y作为开关器材。这时TOP248Y作业在输出功率的上限,电流设定在最大值,行将X端直接与源极相连。而过压值设定在450VDC,若输入电压超越此值,则TOPSwitch?GX将自行关断,直到输入电压康复正常值,TOPSwitch?GX又自行康复发动。频率挑选端F也与源极直接相连,此刻开关作业频率设定在132kHz。
  (2)脉冲变压器的规划请求
  脉冲变压器的初级电感(即励磁电感)Lm中的电流与电压的联系近似为:Im=×τ(3)
  式中:UO为初级电感两头的电压;
  τ为开关脉冲宽度。
  由式(3)可知:脉冲变压器的初级电感值要恰当,通常在300μH到3000μH之间。输出功率大的状况应取低限;反之则取上限。变压器初级电感不能太小,太小会形成TOPSwitch?GX系列中MOSFET的漏极电流太大,使开关损耗添加,一起易形成过流维护动作,使电源难以发动。相同初级电感也不能太大,太大则不能满意输出功率的请求。
(3)电源次级电路的规划
  次级电路主要是挑选整流管和滤波电容。整流管的挑选应依据输出电流和电压,其最大值的挑选为:
IRLCmax2IO=2×5=10A(4)
VRLCmax       (5)
n=×Dmin    (6)
  式中:VO为输出电压;IO为输出电流;Vinmax为最大输入直流电压;Dmin为开关的最小占空比;n为脉冲变压器的变比。
  将Vinmax=375V;VO=24V;Dmin=0.18代入式(6)得到脉冲变压器的变比为:n≈4
  此刻脉冲变压器的初级励磁电流为:Im==1.25A           (7)
  此值远小于TOP248Y的漏极电流(7.2A)。
  电源次级整流管在低输出电压的状况下,通常选用肖特基二极管,用来减小二极管的损耗。当输出电压较高时,则需求选用快康复二极管(如图4中D2);当开关频率较高时,应选用超快康复二极管作整流管,以减小其反向电流对初级的影响。
  滤波电容C7的容量应满意输出电压纹波的请求,L1及C8应能有效地滤除开关所发生的噪声影响。
  (4)反应调整电路的规划
  反应调整电路选用光耦和可调三端稳压器TL431构成的调整电路,如图4电路中的VR2、R5、R7、R10、R11和R6构成的输出电压调整电路。R5作为光耦的限流电阻,并不能影响电路的检查环路的增益。在起动刹那间,检查光耦输出电流,然后改动操控端C的电流,完成预调整,以保证电源在低电网电压和满载发动时到达规则的调整值。R9、C10、C11和R4、C4构成环路补偿电路。
  4 规划中应留意的问题
  TOPSwitch GX系列开关电源若规划妥当,则较简略满意规划请求;若规划不妥,则会呈现一些不正常景象。在规划电源时应留意以下几个问题:
  (1)因为电源的输出功率较大,故请求脉冲变压器的漏感应尽也许小,特别是低压大电流的状况下更应如此。脉冲变压器的初、次级绕组应相间绕制。即便这么,脉冲变压器漏感中贮存的能量仍有也许超越瞬态按捺二极管VR1的功率容量,因此用R2、R3和C2与VR1并联,将漏感中的能量部分地损耗在R2、R3上,以保证VR1的作业可靠性;一起又将电压钳位在200VDC,使TOPSwitch GX在电源发动与过载条件下,保证器材内部MOSFET的漏极电压低于700VDC。
  (2)输出滤波电容的等效串联电阻应尽也许的小,特别是在低压大电流的状况下更应如此,不然因为电容损耗增大而大大下降电源的可靠性。
  (3)光耦的出端应接近操控端C,操控端C的滤波电容应接近源极;别的多功用端L、X、F或M与源极连接线也应尽也许短,一起要远离漏极,以减小电源噪声。
  5 结语
  第三代TOPSwitch GX系列比第二代TOPSwitch系列添加了许多功用,一起输出功率也有较大进步。实践证明,用第三代TOPSwitch?GX系列规划单片开关模块电源,其电路构造简略,抗干扰功用好,可靠性高,性价比高,故在中、低功率电子设备中有着广泛的运用远景。

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