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基于TOPSwitch-GX系列的多输出开关电源

时间:09-16 来源:互联网 点击:
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。


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。

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