基于TOPSwitch-GX的伺服系统多输出开关电源

1 引言

多路输出开关电源广泛应用在各种复杂小功率电子系统中，就多路输出而言，通常只有输出电压低、输出电流变化范围大的一路作为主电路进行反馈调节控制，以保证在输入电压及负载变化时保持输出电压稳定，由于受变压器各个绕组间的漏感和绕组电阻等的影响，辅助输出电压随输出负载的变化而变化，通常，当主输出满载和辅助输出轻载时，辅助输出电压将升高，而当主输出轻载和辅助输出满时，辅助输出电压将降低，这就是多路输出的负载交叉调整率问题，笔者基于TOPSwitch-GX系列设计了一种多路输出开关电源，很好的解决了多路输出的负载交叉调整率问题，该电源在各种工况下都能稳定输出，主输出电压纹波小于3%，各路辅助输出纹波小于5%，负载交叉调整率小于5%，在交流伺服系统中，该电源给系统控制部分部及功率部分供电，开关电源的性能直接影响到交流伺服系统的伺服特性，如何设计一个稳定性能好、交叉调整率小、电压纹波小的开关电源是一个急需解决的问题。  

2 TOPSwitch-GX系列简介  

2.1 与TOPSwitch-FX的性能比较  

TOPSwitch系列单片机开关电源是美国功率集成公司于上世纪90年代中期推出的新型高频开关电源，它是三端离线式PWM开关的英文缩写（Three Terminal Off Line PWM Switch）被誉为“顶级开关电源”。它的特点是将高频开关电源中的PWM控制器和MOSFET功率开关管集成在同一芯片上，是一种二合一器件。TOPSwitch-GX是该公司推出的第四代系列产品，除具备TOPSwitch-FX系列的全部优点外，它还将最大输出功率从75W提高到290W，适合构成大中功率的高效率，隔离式开关电源；将开关频率提高到132KHz，有助于减小高频变压器及整个开关电源的体积，适合作为伺服电机控制板的板载电源的主控器件，当开关电源负载很轻时，它能自动将开关频率从132KHz降低到30KHz（在半频模式下，则由66KHz降到15KHz）,可降低开关损耗，进一步提高电源效率，采用被称作EcoSmart的节能新技术，显著降低了在远程通/断模式下的功耗，当输入交流电压是230V时，功耗仅为160mW。  

2.2 TOPSwitch-GX的工作原理  

TOPSwitch-GX的内部主要由18个部分组成，与第三代TOPSwitch-FX系列的主要区别是在该系列的基础上作了一些改进，在原有的5个组成部分上新增加了3个单元电路，电流极限调节器也增加了软启动输出端；将频率抖动振荡器产生的开关频率提升到132KHz（全频模式）或66KHz（半频模式）；给频率抖动振荡器增加了一个“停止逻辑”（STOP LOGIC）电路，使只工作更为可靠。TOPSwitch-GX利用反馈电流Ic来调节占空比D，达到稳压目的，当输出电压U0降低时，经过光耦反馈电路使反馈电流Ic减小，占空比则增大，输出电压随之升高，最终使U0维持不变，同理，当输出电压Uo升高时，通过内部调节，也能使U0维持不变。  

3 电源主电路设计方案  

3.1控制板和功率板电源需求  

电源是为交流伺服系统的控制板和功率板供电的，并以板载电源的形式作为控制板和功率板组成的一部分，系统对板载电源的要求是电压纹波小于5%，多路输出电压交叉调整率低于5%，在各种工况下能稳定输出，满足系统的供电需求，控制板和功率板电源地之间相互隔离，避免电磁干，要求电源能软启动，避免瞬间高压对系统产生不良影响，根据系统要求，设计的多路输出板载电源的各路输出电压，电流及作用如表1所示，其中+5V与+15V二路输出共地，+3.3V无与+5V二路输出共地，两组地彼此是相互电气隔离的。  

3.2 电源主电路  

板载电源主电路如图1所示。电源采用单端反激式拓扑结构，选用TOPSwitch-GX系列电路，当电源输入电流85V-265V时，交流电压U依次经过电磁干扰（EMI）滤波器、输入整流滤波器和系列软启动电路得到直流高压DCP，DCP经过R68接L端，能使极限电流随DCP升高而降低，使用箝位二极管和阻断二极管D1替代价格较高的TVS(瞬态电压抑制器）,用于吸收在TOP244Y关段时高频变压器漏感产生的尖峰电压，对漏极起到保护作用，次级电压经整流、滤波后变为多路输出，其中15V电源输出和辅助输出用的是快速恢复二极管，其他输出用的是肖特基二极管，其目的是减少整流管的损耗。  

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该电源电路采用了TOP244Y、PC817型光电耦合器及LMV431A型可调试精密并联稳压管，为减小高频变压器体积和增强磁场耦合程度，次级绕组采用了堆叠式绕法。LMV431A的内部参考电压为2.495V，输出电压经电位器和R65分压，可调电压2.5V（基准值）至37V（最大值）之间，R66和C75构成LMV431A的频率补偿网络。除3.3V主输出外，其余各路输出未加反馈，输出电压均由高频变压器的匝数比决定，另外，为了尽可能减少电磁干扰，在开关电源的输出侧接入共模扼流圈，以改善电磁噪声。