基于TOP204双路输出开关电源设计

1引言

真空镀膜技术在近10几年迅猛的发展中，已经涉及到各个行业。尤其是磁控溅射技术在薄膜制备领域的广泛应用。磁控溅射电源就是针对磁控溅射环节所设计使用的开关电源，其性能直接关系到镀膜产品的质量，已成为衡量磁控溅射设备状态的重要对象。因此，设计性能良好的电源就成为了行业研究的热点问题。近几年来，随着电力电子功率变换技术的不断进步和完善，PWM控制的开关电源以其极高的性价比获得了广泛的应用。尤其是单片开关电源控制芯片获得了长足的发展，TOPSWITCH系列单片电源芯片已将自启动电路、功率MOSFET，PWM控制电路以及保护电路集成在一起，再通过小型高频变压器便可使输出电压与电网输入完全隔离，不仅提高了电源的效率，简化了外围电路，而且降低了电源成本和体积，增强了电源的可靠性。

在对产品进行镀膜的过程中，需要对电压的稳定性进行检测，而检测系统需要输入稳定、精确度高的±15V直流电源。由于受到体积限制，这两路电源变换应尽可能结构简单、输入电压范围宽、可靠实用，同时满足较好的隔离性(若采用UC3842芯片，其电源部分不仅成本提高，而且增加了整个控制系统的体积)。

为此，本文根据单端反激式开关电源原理，选择了TOP204单片电源控制芯片作为核心器件，提出了一种可实用于代替UC3842芯片的开关电源。该开关电源不仅可以满足检测系统所需电压，而且电路简单、可靠、稳压性能好，开关电源部分所用器件少，从而使整个检测系统的体积减小。

2电路设计

图1为采用TOP204芯片构建的单端反激式隔离开关稳压电源原理图。输入为（~220±15%）V交流市电，输出双路电压分别为+15V，-15V直流电，其两路输出功率均为7.5W。

由于TOP204的高度集成性，设计工作主要围绕其外部电路进行，同时结合检测系统用电特点对其输出电压精确度进行分析。根据TOP204芯片的工作原理，其外围电路可分为输入整流滤波电路、漏极保护电路、变压器、输出整流滤波电路以及反馈电路五部分，下面将分别进行原理和功能分析。

图1单端反激式隔离开关稳压电源原理图

2.1输入整流滤波电路

220V的交流市电通过保险丝和8w的水泥电阻之后，进入EMI滤波器，它是由C1、Lt和C2组成。其中C1、C2是为了除去差模干扰，其值为0.1μF/630V。Lt为滤波线圈，采取双线并绕，其值为33mH。整流电路采用反向耐压大于400V，冲击电流大于额定整流电流（7~10）倍的整流二极管，且整流二极管的稳态电流容量应为计算值的两倍。由此选择4个FR107二极管做整流桥。

电容+C1的值可根据经验1μF/w来取，考虑到裕量，+C1=68μF/400V。由于220V交流市电在15%之间波动，故VACmax=253V，VACmin=187V。假设整流桥中二极管导通时间为Ton=3ms，由式(1)和式(2)可得输入直流电压最小值和最大值为：

式中：η1为系统效率，可选80%；fl为交流电网频率；Po为电源输出功率。

2.2漏极嵌位电路

当TOP204中的主功率MOSFET由导通变成截止时，在高频变压器T的初级绕组Ll上会产生尖峰电压和感应电压，其中尖峰电压是由于高频变压器存在漏感而形成，它与直流高压和感应电压叠加后很容易损坏主功率管。为此，必须设计漏极嵌位电路，对尖峰电压进行嵌位或吸收。

DZ和D5构成的嵌位电路可防止高电压对TOP204的损坏。其中DZ采用型号为P6KE200，反向击穿电压为220V的TVS（瞬态电压抑制器)，D5采用型号为BYV36C，反向耐压为700V的超快恢复二极管。

2.3变压器设计

（1）铁芯类型

根据TOP204芯片100kHz的工作频率选用锰锌铁氧体。通常，输出功率和磁芯截面积由经验公式计算，即

式中：Ae为变压器磁芯的有效截面积(cm2)；Po为电源的输出功率(w)；η2为变压器的效率，一般取85%。
根据经验公式的计算，可以选择EI-22铁氧体磁芯，其有效截面积大于Ae的计算值。

（2）计算最大占空比Dmax

首先必须确定次级反射到初级的电压Vf，利用式(4)计算

Vf=Vmos×80%-Vdcmax(4)

其中：Vmos为TOP系列的MOS管耐压为700V。

再根据磁通伏秒积平衡的要求，即：Vdcmin×Dmax=Vf×(1-Dmax)，可得：

（3）计算变压器初级自感Lp

由于所设计的反激式变换器工作在连续导通工作模式(CCM)中，所以，开关管闭合时的电流初始值和末值根据公式(5)可得:

式中:Ip1、Ip2分别为开关管闭合时的电流初始值、末值。根据经验，一般选择Ip2=(2～3)Ip1，不要让Ip1与Ip2过于接近。因为电流的斜率不够，容易产生振荡，取3。

由此可得峰值电流为

变压器的初级自感Lp根据式(6)计算

式中：fs是开关频率；Lp是初级电感量，单位H。

（4)计算初、次级绕组匝数

利用式(7)、式(8)分别计算Np（初级