应用于交流伺服系统多路输出开关电源设计

　　1.引言

　　与直流电机相比，交流电机不需要换向器和电刷，其结构更加简单。调速范围宽、稳态精度高、动态响应快、转子惯量小、输出功率大等诸多优点，使得交流电机在工业生产中得到较广泛地应用[1]。对伺服系统供电的电源性能的优劣，直接关系到整个系统的安全性和稳定性[2]。开关电源与低效率的线性电源相比，因为其效率高、体积小、重量轻而受到广泛地关注[3]。美国PI 公司生产的开关电源专用集成芯片TOPSwitch-II，是一种将PWM 和MOSFET 合二为一的新型芯片，此系列芯片以其体积小、重量轻、价格低等优势，一经推出便得到广泛的应用，展示了良好的应用前景。

　　2.TOPSwitch-II 工作原理

　　TOPSwitch-II芯片，将脉宽调制(PWM)控制系统的全部功能集成在一起，结构简单，只有三个引出端，分别为控制端C、源极S和漏极D[4]。内含脉宽调制器、功率开关场效应管、自动偏置电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路,通过高频变压器使输出端与电网完全隔离,真正实现无工频变压器、隔离式开关电源单片集成化,使用安全可靠。TOPSwitch-II是电流控制型开关电源，控制端提供偏压Uc，对电流Ic的大小进行控制，就能连续调节脉冲占空比，实现脉宽调制。占空比D与控制端电流Ic呈线性关系(图1)。

　　由图1 可知，在Ic=2.0~6.0mA 范围内，当Ic↑时D↓，Ic↓时D↑。ICD1 是并在C-S 极旁路电容的放电电流，为1.2mA 或1.4mA;IB 是外部偏置电流，

　　3.多路开关电源设计原理

　　TMS320F2812 是控制板中的最重要的器件一。它每秒可执行1.5 亿次指令，具备卓越的数据处理能力。对该芯片供电的优劣，直接影响控制板工作的可靠性。由于芯片的供电电压是3.3V，考虑到控制的需要，总共需要两路+5V 供电，分别是模拟5V和数字5V。另外，控制板还有±15V 供电的芯片。IPM 模块是交流伺服系统最重要的器件之一。它一般使用IGBT 作为功率开关元件，内藏电流传感器及驱动电路的集成结构，尤其适合于驱动电机的变频器和各种逆变电源。本系统所使用的IPM，总共需要4 路电气隔离的+15V电源。综上所述，伺服系统需要+15V、-15V 和+5V三种电压等级供电,故需要设计一个能够提供上述电压等级的辅助电源。电源设计参数如下：

　　① 输入电压：VAC;

　　② 输出电压：U2~U9;

　　③ 最小功率：Pomin;

　　④ 最大功率：Pomax;

　　⑤ 转换效率：η;

　　⑥ 开关频率：fs;

　　⑦ 最大占空比：Dmax。

　　根据如上设计技术指标，需要从如下几个部分进行。

　　3.1 输入整流滤波电路

　　输入整流滤波电路采用Π型滤波(图2)：其中C17、C18 为差模电容，抑制差模干扰;C19、C20 为共模电容，抑制共模干扰;滤波电感L1 采用双线并绕。采用不可控的整流桥，整流器件的额定电流有效值ID，必须满足在低电压输入时最大平均电流值，

　　则：

　　1D 2( AC min ) omax I ? ?V PF ? P (1)式中，VACmin 为交流输入电压最小值;PF 为功率因数，一般取0.5。反向阻断电压VR，按高电压输入进行计算：max R 1.25 2 AC V ? ? V (2)图2 中，输入滤波电容C21 的容值，可以按照比例系数1~3μF/W 与输出最大功率Pomax 的乘积进行取值。

　　3.2 变压器

　　单端反激式开关电源中的变压器，在开关管开通时，储存能量，阻断时释放能量而对负载供电[5]。对于多路输出，如果要求每路输出电压均具有高精度，则每路均需要有闭环的稳压回路。对于本设计的多路输出，U3 输出这一路精度要求较高，对这一路输出需加闭环控制，其它几路要求相对不高，不需要闭环控制。

　　3.2.1 变压器铁芯

　　一般选软磁铁氧体作为变压器铁芯，根据式

　　(3)~(4)确定铁芯型号。

　　8 1max max ( ) 2 10 ( C ) o ON SQ B K K j P T 计 (3)式中，S 为铁芯的截面积(cm2);Q 为铁芯的窗口面积(cm2)。Bs 为选用的铁氧体饱和磁感应强度，考虑到高温时Bs会下降，选定工作最大磁感应强度Bm;TONmax为最大占空比Dmax对应的TOPSwitch-II 最大导通时间;△B 为铁芯磁感应强度的变化量，工作磁感应强为B，最小功率与最大功率的比值为K。上述几个量相互之间的对应关系为：

　　式中，Kc 为铁芯填充系数，Kμ 为窗口利用系数，j为导线电流密度。在确定铁芯型号时，铁芯实际的截面积与窗口面积乘积SeQe，应不小于SQ。

　　3.2.2 原边电感和气隙

反激式开关电源，当工作在连续工作模式时，电感电流临界连续，变压器原边绕组最小电感值L1min 为：1 2 21min min min max (2 o S ) i ON L ? P T ? U T ? (5)式(5)中，Uimin 为变压器原边直流输入电压最小值，文献[6]指出，它与VACmin 的关系为：2 1 1 1 1/2min min 21 max i 2 AC 2( ) (2 ) o U ? ?? V ? ?C ? ? f