基于TOP224的反激变流器反馈电路的

沈阳单片机开发网——帮您精确掌握电子器件的使用细节 www.symcukf.com 基于 TOP224 的反激变流器反馈电路的优化 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 作者：姜 勇， 谢晔源 摘 要：介绍了利用 TOPSwitch 构成的反激变流器．井从传递函数补偿的角度分析了反馈电 路的设计方法。通过反馈电路结构和参数的调整，变流器的输出电压纹波大幅度减 小，抗干扰性能得到了加强，效率有所提高。 关键词：单片开关电源；反激；反馈：传递函数 0 引言 近年来，中小功率的开关电源向着单片集成化的方向发展。1997 年，美国功率集成公 司(Power Integration Inc，简称 PI 公司)推出三端单片电源 TOPSwitch-II 系列。该系列 产品将 MOSFET 和控制电路集成在一起，不仅提高了电源效率，而且使电源的体积和重量大 为减小。 由于 TOP 系列单片电源的集成度很高，外围电路十分简单，本文在试验的基础上分析并 改进了反馈网络，验证了其对电路性能提高的有效性。 1 TOPSwitch 开关电源反馈电路设计 TOPSWitch 的外围电路主要分为输入整流滤波电路、钳位保护电路、高频变压器、输出 整流滤波电路和反馈电路 5 部分。其中前 4 部分电路设汁可以在 PI 公司的网站上找到专用 的设计软件进行计算，电路的参数和器件型号都能满足 TOPSwitch 开关电源的需要。 至于反馈电路，由于 PI 公司没有专用的工具，所以必须根据电路的实际情况进行设计。 单片开关电源的反馈形式虽然有很多，但可以归结为图 1 所示的 4 种基本形式。其中图 1(a) 为基本反馈电路，电路简单但稳压性能较差，负载调整率只能达到 S1=±5％；图 1(b)为改 进型反馈电路，增加了一只稳压管 D5，可以使 S1 改善到±2％；图 1(c)为带稳压管的光耦 反馈电路，相当于给 TOPSwitch 增加一级外部误差放大器，再与内部误差放大器配合使用， 可以对输出电压进行调整，S1 可到达±1％；图 1(d)为带 TL431 的光耦反馈电路，用三端线 性稳压管代替图 l(c)中的稳压管 D5，从而对输出电压进行精细调整，S1=±O.2％。 1 沈阳单片机开发网——帮您精确掌握电子器件的使用细节 www.symcukf.com 2 沈阳单片机开发网——帮您精确掌握电子器件的使用细节 www.symcukf.com 设计开关电源时，一般根据实际技术要求选择合适的反馈电路，本文就图 l(d)的反馈 形式进行分析。并给出较为实用的电路结构，图 2 是应用 TOP224 及精密反馈电路构成的反 激变流器，交流通用输入(85~265V)，多路输出，要求主输出电压纹波在 0．5％以内，负载 调整率 S1=±0.2％。 对于图 2 电路，主要就是要确定 R4、R5、R6 及 R7 的值。电路利用输出电压与 T1431 构成的误差比较器，通过光耦 PC817 线性关系的电流变化控制 TOPSwitch 的 Ic，从而改变 PWM 宽度，达到稳定输出电压的目的。从 TOPSwicth 的流入控制脚 C 的电流 Ir 与占空比 D 成反比关系，如图 3 所示。 为使 PWM 线性调节，控制脚电流 Ir 应在 2~6mA 之间，而 Ic 是受光耦二极管电流 If 控 制的，由于光耦 PC817 是线性光耦，二极管正向电流 If 在 3mA 左右时，三极管的集射电流 Ice 在 4mA 左右，而且集射电压 Vce 在很宽的范围内线性变化。因此确定选 PC817 二极管正 向电流 If 为 3mA。 3 沈阳单片机开发网——帮您精确掌握电子器件的使用细节 www.symcukf.com 从 TL431 的技术参数知，Vka 在 2.5~37V 变化时，Ika 可以在 1~100mA 内大范围变化， 一般选 20mA 即可，既可以稳定工作，又能提供一部分死负载。 由以上分析，可以得到一组关系式，有 式中：Vf 是 PC817 二极管压降； VR 是 TL43l 参考端电压； Vc 是输出电压。 根据以上计算得到：R4=10kΩ、R5=10k、R6=470Ω、R7=150Ω。 使用以上参数构成的反激变流器，由于高频变压器漏感的存在以及 PCB 的布局不够合 理，使得输出电压纹波较大，达到 150mV(=3％)，所以必须对控制电路进行改进，进一步提 高控制环路的增益和带宽，改善电路的瞬态响应，以降低输出纹波。 TOPSwitch 的控制函数有两个极点，第一个极点频率为 7kHz，它是由内部阻容元件构成 的低通滤波器决定的，其截止频率为 7kHz，能滤掉开关噪声电压，而对误差电压只产生很 小的相移。第二个极点频率为 1.7kHz，是由自动重启动电容 C8(47μF)和控制端动态阻抗 Zc 决定的，该极点适用于开关电源在不连续模式且占空比 D<50％情况下。 反激变流器的控制框图如图 4 所示。在设计反馈网络前，假设 PC817 的电流传输比 CTR=100％，而且因为 TOPSwitch 的控制是电流模式，所以 PC817 构成的传递环节不影响整 个系统的频率响向应，令 Kea=1，并且所有设计采样点在输出的小 LC 滤波环节之前。此时， 开环传递函数为 V1 为 4 沈阳单片机开发网——帮您精确掌握电子器件的使用细节 www.symcukf.com V1 折算到低压侧的原边直流电压； RL 为负载电阻； L 为高频变压器次级电感。 代入电路参数得 TOPSwitch 的开关频率为 100 kHz，为了避免其引起过多的相移，一般取带宽为其频率 的 l／4 一 1／5，我们取 1／5 为 20kHz。则此时的相位 φ=arctan(20／33)一 arctan(20／ 14)-arctan(20／49)=-46° 如果用单极点补偿[如图 5(a)所示]，则带宽处的相位裕度为 180—90 一 46=43°，比工 程上一般要求的 45°偏小，所以采用双极点补偿形式来提升相位裕度。图 5(b)具有两个极 点和一个零点，把第一个极点设定在原点，第一个零点一般在带宽的 1／8 左右，这样在带 宽处提升相位 10°左右，此零点越低，相位提升越明显，但太低了就降低了低频增益，使 输出调整率降低，这里取 2kHz。第二个极点的选取一般是用来抵消右半平面零点(一般由输 出电容的 ESR 引起)的增益升高，保证增益裕度，使带宽处保持一 20db／10decade 的形状， 这里取极点频率 50kHz，如图 6 所示。 5 沈阳单片机开发网——帮您精确掌握电子器件的使用细节 www.symcukf.com 补偿网络通频带增益Ad=0，所以有R3／Rl=l，对应图2中，R8=R4=10kΩ。又有fz1=2kHz， fp2=50kHz， 6 沈阳单片机开发网——帮您精确掌握电子器件的使用细节 www.symcukf.com 得到 C1=318pF，C2=8nF。对应图 2 中 C9=318pF，C8=8nF。 此时带宽处的相位裕度为 180 一 90+10 一 46=54°，满足 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 上的要求。在低于 OdB 带 宽后，曲线为一 40dB／decade，这样增益迅速上升，低频部分增益很高，使电源输出的直 流部分误差非常小，并且有很好的负载调整率和电压凋整率。 2、 实验结果 按以上分析得到的参数设计了一款反激变流器电路，单片开关电源选用 TOP224Y，总功 率 45W，输出+5V(6A)，士 15V(1A)，图 7、图 8 为实测波形。输出电压纹波为 20mV(=0.4％)， 电压调整率 SV<10mV（<0.2%），负载调整率 S1=10mV(=0.2％)，效率达到 80％。 7 沈阳单片机开发网——帮您精确掌握电子器件的使用细节 www.symcukf.com 3、 结语 本文通过分析反激变流器的传递函数，设计出一种较好的补偿网络，并给出一些主要的 参数的计算方法。针对实验电路，可以发现应用新的补偿网络，输出电压纹波得到很大改善， 抗干扰性能得到提高，而且电源效率有一定改善。 8