论TOPSwitch的多路输出电源的设计

引言   

随着电力电子技术的不断发展，变频调速技术在工业传动领域的应用也越来越广泛，其中尤以交-直-交变频调速应用最为普遍。交-直-交变频调速电路包括整流及逆变部分，其中逆变部分典型为6个开关单元(IGBT或MOS管)，上、下臂各3个，也有的加上制动单元为7个开关单元。因为上臂3个单元的控制触发脉冲信号的参考地是悬浮的，故触发脉冲一般需要相互隔离的4组电源(上臂3个单元分别供电，下臂共用一组电源)。当然，若软件配合控制，给出充电脉冲，上臂3个单元的电源采用自举电路，则只用一组电源即可。这里只讨论采用4组电源的情况。逆变器的控制辅助电源有3个特点：1)具有多路输出电压。本文介绍的电源就有5V、±15V、四组16V触发脉冲电源、12V偏置电源、24V共9路输出电压。其中，5V、±15V输出电压共地，其余输出电压均为独立输出电压。2)四组脉冲电源要求输出电压一致性较好，稳压精度较高。3)四组脉冲电源要求能提供较大的瞬时功率，但平均功率较小。要满足上述要求而又简单、成本低，采用美国PI公司的TOPSwitch系列产品不失为一种较好的选择。TOPSwitch系列产品将MOS管和PWM控制器集成在一个芯片之中，外围电路十分简单，功率范围涵盖了数瓦到数百瓦，芯片封装形式多种多样，有的芯片还具有过温、过流及输入电压过、欠压等保护功能，能灵活适应许多电源的设计。PI公司还推出了TOPSwitch系列产品的辅助设计软件，以方便使用者快速、准确地设计出所需要的电源。笔者在做一个伺服控制器项目时其辅助电源就选用了TOPSwitch产品来设计，作为一个典型例子，下面简要介绍其设计方法及要点。  

电路没计  

电源设计要求  

输入电压VIN范围：180VAc～240VAc。各输出电压幅值及额定负载分别为：Vo1：5.8V，1A；Vo2：15V，0.2A；Vo3：-15V，0.2A；Vo4：24V，0.1A；Vo5：16V，0.2A；Vo6：16V，0.1A；Vo7：16V，0.1A；Vo8：16V，0.1A；VBIA：12V，0.02A。要求工作可靠，所占空间小，成本较低。

TOPSwitch器件选型  

在本电源中，Po=22.44w，电源工作于密闭的控制柜中，为了工作可靠应具有过温、过流及输入过、欠压等保护措施，综合考虑后，我们选择了TOPSwitch-GX系列的TOP243R器件。该器件在输入电压为230VAC±15％时，在适配器工作环境下(对应于密闭环境)最大输出功率为29W，且有过温、过流及输入过、欠压等保护功能，"R"型封装便于利用PCB覆铜层散热，省去散热器。

高频变压器设计  

针对采用TOPSwitch系列产品的电源设计，PI公司推出了PI Expert辅助设计软件。只要输入电源设计要求，该软件会快速、准确地给出设计结果，包括推荐采用的TOPSwitch系列产品、变压器磁芯及变压器初、次级绕组参数等。但目前版本只支持最多5组次级输出绕组，若输出绕组大于5组，则可按下述步骤手工计算变压器绕组参数：  


　　

式中VACMIN为最小输入交流电压，Po为输出功率，fL为输入线电压频率，tC为桥式整流传导时间，典型值为3ms，η为效率(一般取0.8)，CIN为输入滤波电容(一般取输出功率(w)的2～3倍(μF))。  


　　

式中VOR为反射电压。对TOP2XX系列器件而言，VOR≤135V，这里取135V。VDS为主开关导通时D、S端间压降，典型值为10V。  


　　

则式中KRP为纹波电流与峰值电流比。在连续工作模式下，对230VAC输入，KRP≥0.6，这里KRP取0.6。  


　　
  
则式中fs为工作开关频率，这里fs=132KHz，则   
  
  


　　

次级绕组匝数Ns：对TOPSwitch器件来说，在85～265VAC或230VAC输入时，Ns取0.6匝/V，故Ns=(Vo+VD)×0.6。式中Vo为输出电压，VD为输出二极管正向压降。一般对肖特基二极管VD取0.4V，对超快恢复二极管VD取0.7V。本电源中，5.8V输出二极管采用新电元公司的DE3S4M，根据资料其VD=0.55V。因此，5.8V输出电压的绕组匝数N5.8V=(5.8V+0.55)×0.6=3.81(匝)，取整数为4匝。   
  


　　

取16匝。  

以上主要介绍了变压器绕组匝数及初级绕组电感的计算，变压器磁芯气隙长度及绕组线径等参数的计算选 择在此不再赘述。电源电路如图1所示。  


  
设计要点  

根据笔者的经验，设计中应注意以下3方面：   
  
变压器绕制工艺  

为使初、次级绕组耦合好，漏感小，应采用"初包次"的绕法。另外，因为5V、15V绕组共地，故在绕制15V绕组时可采用堆叠式绕法，即将5V绕组作为15V绕组的一部分，这样可加强磁耦合，改善15V电压轻载时的稳压性能，减少需要的骨架引脚，降低制造成本。对于不共地的其他绕组只能采用分离式绕法，其优点是可灵活排列。为了减小漏感引起的能量损失，应将输出电流较大的绕组靠近里层初级绕组。因为4组触发脉冲电源平均功率较小，为使其电压一致性(亦即轻载稳压性能)较好，应将4组绕组并绕。若不够绕满一层，可采用多根并绕的方式使其绕满一层，这样虽然成本有所提高，但可有效地提高4组脉冲电源的电压一致性。笔者绕制的变压器采用上述工艺后，4组电源最高、最低输出电压差减小为0.25V。