波整流和滤波,变成所需要的直流电压输出。R1、C1、VD1组成缓冲吸收电路,吸收功率器件在关断过程中由于变压器漏感产生的电压尖峰过冲,电路的工作频率为100kHz,振荡元件已固化在器件内部,高频变压器的次级有4个绕组,其中的5V/3A绕组N3控制TOPSwitch-II器件的脉宽,即这一组输出电压为PWM稳压,由并联可编程稳压器TL431和光电耦合器PC及分压电阻R7、R8完成取样反馈工作。之所以选择这一绕组进行脉宽控制,是因为它的输出电压低电流大,更能体现出开关电源的优越性。为了实现对光耦的隔离供电,变压器单设了一个辅助绕组N2。±12V/0.5A绕组N4及N5采用集成三端稳压器LM7812和LM7912进行线性稳压,因输出电流不大,功耗较低,散热问题容易解决。次级中还有一个1.25V~30V/1.5A的可调绕组N6,采用了可调三端稳压器LM317进行线性稳压和调压,为了克服线性稳压在低压输出时,功耗大和效率低的缺点,此绕组设置了高、低两个抽头,抽头的变换由继电器自动切换,切换电压设在15V,由TL431取样。当要求输出电压低于15V时,TL431的参考输入端的电压低于2.5V,TL431截止,继电器K不吸合,低压绕组被接通。反之,当要求输出电压高于15V时,TL431的参考输入端的电压高于2.5V,TL431导通,继电器吸合,高压绕组被接通。电压表PV指示输出电压的数值。
TOPSwitch-II器件型号的选择
本电源总输出功率为各组输出功率之和:
PO=5×3+12×2×0.5+30×1.5=72W
若电源总的效率为80%,则电源输入的总功率应为:
Pi=PO/80%=72/0.8=90W
从表1可以看出,在220V单一电压条件下,TOP225Y的最大输出功率为100W,能够满足本电路要求。
图2 稳压电源原理图
3高频变压器的设计
在制作单端反激式高频开关电源时,高频变压器的设计与计算是至关重要的,其工作量也是比较大的。
假定交流输入电压的范围是180V~260V,整流器压降和输出电压纹波为22V,最大占空比为Dmax=0.5,则K=Uimax/Uimin=364/230=1.58
Dmin=Dmax/[(1-Dmax)K+Dmax]
=0.5/[(1-0.5)×1.58+0.5]=0.38
Ip=2PO/(Uimin×Dmax)
=2×90/(230×0.5)=1.57A
(1)变压器初级电感量
Lp=Uimin×Dmax/(Ip×f)
=230×0.5/(1.57×100×103)
=0.73mH
选择南京CONDA公司的PQ32/30磁芯、LP3材料、AL=1.61、磁通密度B=0.39T,变压器工作在单端状态,最大工作磁通
Bmax=B/2=0.39/2=0.19T
为避免出现磁饱和现象,变压器磁芯要留有空气隙,其长度
Lg=0.4×π×Lp×Ip2/(AL×B2max)
=0.4×3.14×0.73×10-3×1.572
/(1.61×0.192)
=0.04cm
(2)变压器初级匝数N1
N1=Lp×Ip×104/(AL×Bmax)
=0.73×10-3×1.57×104/1.61×0.19
=38匝(取整)
(3)5V绕组匝数N3
N3=N1(UO+UD)(1-Dmax)/(Uimin×Dmax)
=38×(8+1)(1-0.5)/(230×0.5)
=1匝(取整)
(4)±12V绕组匝数N4、N5
N4=N5=N1(UO+UD)(1-Dmax)/(Uimin×Dmax)
=38×(15+1)×(1-0.5)/(230×0.5)
=3匝(取整)
(5)反馈绕组匝数N2=N4=N5
(6)1.25V~30V可调绕组匝数N6
N6=N1(UO+UD)(1-Dmax)/(Uimin×Dmax)
=38×(33+1)(1-0.5)/(230×0.5)
=6匝(取整)
在3匝处抽头
上述计算匝数各公式中的UO为输出电压(取额定输出电压+稳压器压降3V),UD为快恢复二极管压降,取1V。
采用高强度漆包线绕制,各绕组所用漆包的线径如下:
N1用0.71mm
N2、N4、N5用0.42mm
N3用0.99mm
N6用0.72mm
5V绕组的输出滤波电感线圈L1选4cm磁环,用1.0mm漆包线穿绕15匝。
高、低压切换继电器用JZC22F,DC12V/10A,电压表的型号为85C1、表盘刻度0~30V。
高频变压器的计算过程是很繁琐的,要考虑大量相互关联的设计变量,费力耗时。为减轻设计者负担,美国功率集成公司特为TOPSwitch器件设计了一套EXCEL电子表格,可以在PC机上运行。应用电子表格设计电源,简单快捷,一般只要10分钟左右即可完成。中国电源学会1999年第13届年会上,曾有一篇论文,专门介绍了EXCEL电子表格,读者可参阅该文,这里不再赘述。
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