单端正激式开关电源的驱动电路的设计

一、基于TOPSwith单片机开关电源的基本原理

TOPSwitch( Three - terminal Off - line PWM Switch) 单片开关电源是美国PI ( Power Integration ) 公司于上世纪90 年代中期推出的新型高频开关电源芯片,它用了3 个管脚将脱线式开关电源所必需的具有高压N 沟道功率MOS 场效应管、电压型PWM 控制器、100 kHz 高频振荡器、高压启动偏置电路、基准电压、用于环路补偿的并联偏置调整器、误差放大器和故障保护功能块等全部集成在一起了。采用TOPSwitch 器件的开关电源与分立的MOSFET 功率开关及PWM 集成控制的开关电源相比,具有电路结构简洁、成本低廉、性能稳定、制作及调试方便,自保护完善等优点。

TOPSwitch系列单片开关电源的典型应用电路如图1所示。高频变压器在电路中具备能量存储、隔离输出和电压变换这三大功能。由图可见，高频变压器初级绕组Np的极性(同名端用黑圆点表示)，恰好与次级绕组Ns反馈绕组Nf的极性相反。这表明在TOPSwitch导通时，电能就以磁场能量形式储存在初级绕组中，此时VDz截止。当TOPSwitch截止时，VD2导通，能量传给次级，此为反激式开关电源的特点。图中，BR为整流桥，CIN为输入端滤波电容。交流电压u经过整流滤波后得到直流高压yt，经初级绕组加至TOPSwitch的两极上。鉴于在TOPSwitch关断时刻，由高频变压器溺感产生的尖峰电压，会叠加在直流高压Ui和感应电压Uor上，可使功率开关管的漏极电压超过700v而损坏芯片;为此在初级绕组两端必须增加漏极钳位保护电路。钳位电路由瞬态电压抑制器或稳压管(VDz1)、阻塞二极管(VDl)组成，VDl宜采用超快恢复二极管(SRD)。VD2为次级整流管，Cout是输出端滤波电容。

图1 TOPSwitch系列单片机开关电源的典型应用电路

该电源采用配稳压管的光耦反馈电路。反馈绕组电压经过VD3、CF整流滤波后获得反馈电压UFB，经光耦合器中的光敏三极管给TOPSwitch的控制端提供偏压。CT是控制端c的旁路电容。设稳压管VDz2的稳定电压为Uz2，限流电阻R1两端的压降为UR，光耦台器中LED发光二极管的正向压降为UF，输出电压Uo由下设定：Uo=Uz2+UF+UR。

该电源的稳压原理简述如下;当由于某种原因(如交流电压升高或负载变轻)致使Uo升高时，因UZ2不变，故UF就随之升高，使LED的工作电流IF增大，再通过光耦合器使了TOPSwitch比h的控制端电流Ic增大。但因TOFsw比D的输出占空比D与Ic成反比，故D减小，这就迫使Uo降低，达到稳压目的。反之，Uo↓UF↓IF↓Ic↓D↑Uo↑，同样起到稳压作用。由此可见，反馈电路正是通过调节TOPSwitch的占空比，使输出电压趋于稳定的。

二、主电路的实现

以下是正激式DC-DC变换器

图2 正激式DC-DC变换器

1、输入电路

保险丝F1、一次整流和低通滤波两部分组成。一次整流部分采用单相桥式整流电路，选用的元器件为二极管，如图2所示为D5、D7、D8、D10。

2、复位电路

二极管D3，D4变压器绕组Nr构成复位电路，防止变压器的激磁电感饱和。

3、导向电路和续流电路

在图2中，D6是有两个彼此反向的二极管串联而成的。与变压器同名端相连接二极管是导向二极管，与非同名端连接的是续流二极管，变压器T1副边的两个二极管与变压器T2一次绕组可构成TOP管开通后的二次整流电路(由二极管导向)和TOP管关断后的续流电路。设计中选择的D6型号为 MBR20100。

变压器T1主要参数和绕制方法如下：

a)骨架磁心为EI33;磁心有效横截面积Ae=1.18cm^2。

b)匝数比为n=100/6，其中Np=25匝,Nr=75匝,Nm=6匝*3(6匝，每匝3股)。

c)采用三明治绕法，不需要气隙。

4、变压器T2主要参数如下：

1)骨架磁心为EI25，磁心有效横截面积Ae=0.4cm^2。

2) 匝数比为n=15/12，其中N1=15匝*4(15匝，每匝4 股)，N2=12匝。

3)一般绕法。

三、控制电路

1、反馈电路的选择

本设计采用的反馈电路如图3所示

图3 配稳压管的光耦反馈电路

该电路时稳压管的光耦反馈电路，由VDZ提供参考电压UZ，当Uo发生波动时，在LED上可获得误差电压。因此，该电路相当于给TOPSwitch增加一个外部误差放大器，再与内部误差放大器配合使用，即可对Uo，进行调整。这种反馈电路能使负载调整率达到土1%以下。

光耦反馈电路实际由两部分构成：

① 由反馈绕组NF、高频整流滤波器构成的非隔离式反馈电路，反馈电压UFB为光敏三极管提供偏压;

② 由取样电路、外部误差放大器、光耦合器构成的隔离式反馈电路，它将U。的变化量直接转换成控制电流Ic。其中，UFB基本不受交流输人电压u变化的影响，而Ic则与Uo变化有关。仅当u宽范围变化而负载稳定时Ic才与△U有关。

2、放大过程的选择

该误差放大器，如图4所示，