基于TOP247Y的電機伺服系統用多路開關電源設計

李 君，曾岳南

（廣東工業大學自動化學院，廣東 廣州510006）

0 引 言

本文介紹了一種多路輸出的單端反激式開關電源的設計方法，該電源主要是為功率開關器件的驅動電路以及系統控制板提供穩定可靠的電壓。所設計的開關電源由美國公司（Power Integration Inc）開發的TOP Switch－GX系列新型智能高頻開關電源集成芯片及其外圍電路構成。采用PWM控制實現DC／DC變換，通過調節占空比來保證輸出電壓的穩定。

1 TOPSwitch－GX系列的性能特點

TOPSwitch－GX系列芯片是Power Integrations公司在第三代單片開關電源TOPSwitch－FX的基礎上推出的第四代開關電源芯片。與TOPSwitch－FX相比，TOPSwitch－GX系列產品有如下優點：① 輸出功率擴展到290 W；②新增加了線路檢測端（L）和從外部設定極限電流端（X）這兩個引腳，用來代替TOPSwitch－FX的多功能端（M）的全部控制功能，使用更加靈活、方便；③ 更寬的占空比，使得輸出功率更大、輸入電容器更小；④Y／R／F型封裝有分開的線路檢測端與電流限制端；⑤ 線路前饋縮小了最大占空比DMAX，以抑制脈動紋波，并在電網電壓較高時限制DMAX；⑥ 最大工作頻率提高到132 k Hz，減少了變壓器和電源的尺寸；⑦ 當開關電源的負載很輕時，能自動將開關頻率從132 k Hz降低到30 k Hz（半頻模式下則由66 k Hz降至15 k Hz），可降低開關損耗，進一步提高電源效率；⑧ 采用較先進的節能的EcoSmart集成電路技術，顯著降低了功耗，在110 V AC時為80 m W，在230 V AC時為160 m W。

2 開關電源設計

2.1 設計參數

交流輸入電壓最小值umin＝85 V，交流輸入電壓最大值umax＝265 V，電網頻率f＝50 Hz，控制芯片開關頻率f＝132 k Hz，輸出電壓、電流U01＝U02＝U03＝U04＝15 V提供四路獨立電源為功率器件提供驅動電壓，U05＝15 V、U06＝－15 V、U07＝5 V為驅動板及控制板芯片提供供電電壓。I01＝I02＝I03＝0.3 A，I04＝0.5 A，I05＝I06＝0.5 A，I07＝2 A，輸出功率P：P01＝P02＝P03＝4.5 W ，P04＝P05＝ P06＝7.5 W，P07＝10 W，POUT＝4.5×3＋7.5×3＋10＝46 W，電源效率η＝80%。

2.2 計算直流側最小最大輸入電壓

濾波電容的CIN值可根據輸出功率按照3μF／W來取值，取CIN＝3×46μF＝138μF。再考慮余量后，取CIN＝150μF。令整流橋的響應時間tc＝3 ms，直流輸入電壓最大值UImax，最小值UImin可由下式計算得：

2.3 根據U Imin和U OR來確定最大占空比D max

2.4 計算初級峰值電流

IAVG＝0.625 A，初級峰值電流IP：

2.5 確定TOPSwitch－GX芯片型號

由前面計算數據，根據 TOP240－250資料：TOP246Y／R／F（TJ＝25℃）時，ILIMIT＝2.511 A，所以可選TOP246以上型號，本文選擇TOP247Y。

3 高頻變壓器設計

反激式變換器的特點是當主功率開關管導通時變壓器原邊電感儲存能量，負載的能量從輸出電路的濾波電容處得到；而當關斷時，變壓器原邊電感的能量將會傳送到副邊負載和它的濾波電容處，以補償濾波電容在開關導通狀態下消耗的能量。具體設計如下：

3.1 計算高頻變壓器初級電感量L P

3.2 計算總的視在功率P T

設肖特基二極管壓降UDF＝0.4 V，變壓器效率為0.8，則：

3.3 計算AP值，選擇鐵芯

設K0＝0.4，窗口使用系數 Kf＝4.0（方波）波形系數，正弦時為4.44，方波為4。工作磁通密度BW＝0.1 T。疊片鐵心允許溫升25℃時計算得：

加10%裕度：AP×1.1＝0.1175 c m4。選擇 EI28（PC40）鐵芯。

3.4 計算原邊繞組匝數

取U1＝UOR＝135 V

3.5 計算原邊電流密度

3.6 計算原邊繞組裸線面積

查表A WG規格選用電纜型號A WG#21 A＊XP＝0.4837 mm2直徑DP＝0.785 mm。

3.7 計算副邊繞組匝數

取整流二極管壓降為0.7 V，副邊繞組壓降為0.6 V，78L15和79L15輸入為18 V，保證穩定的15 V輸出。

3.8 副邊裸線面積

查表（表1）A WG規格選用電纜型號A WG#29，

查表A WG規格選用電纜型號A WG#27，

查表A WG規格選用電纜型號A WG#22，

表1 原副邊繞組電纜型號

圖1 TOP247多路輸出開關電源原理圖

4 開關電源外圍電路設計

圖1為所設計的TOP247多路輸出開關電源原理圖。

4.1 輸入、輸出濾波電路的設計

圖2 輸入濾波器設計

如圖2所示，輸入整流濾波電路包括交流濾波、整流部分和整流濾波電容。交流濾波采用技術成熟的∏型濾波電路。具體參數如下：去除差模干擾的C8、C9為0.47μF／250 V；去除共模干擾的 C10、C11為4.7 n F；濾波線圈L1為6.75 m H，采取雙線并繞。整流電路選擇不可控的600 V／3 A整流橋。濾波電容為C ＝150μF／400 V。

4.2 輸出整流濾波電路設計

輸出整流濾波電路由整流二極管、濾波電容構成和三端電源穩壓芯片（78L05、78L15、79L15）組成。由于肖特基二極管反向恢復時間短，在降低反向恢復損耗以及消除輸出電壓中的紋波方面有明顯的性能優勢，所以輸出整流二極管選用肖特基二極管MBR20200（MBR20100）。對輸出濾波電容，ESR（等效串聯阻抗）和紋波電流是它的兩個重要參數。當電容兩端電壓小于35 V時，ESR只與電容的體積有關。本設計選擇細高型的470μF／25 V低ESR電容。對于要求較高的5 V路輸出，為保證輸出質量采用1 000μF／16 V的低ESR電容，并且采用33μH的穿心電感作為濾波電感。

4.3 反饋控制電路的設計

本設計采用可調式精密并聯穩壓器TL431加線性光耦PC817 A構成反饋回路，可使電壓調整率達到±0.1%。電路利用輸出電壓與TL431構成的誤差比較器，通過光耦PC817 A線性關系的電流變化控制TOPS－witch的IC，從而改變PWM脈沖寬度，達到穩定輸出電壓的目的。流入TOPSwitch控制腳C的電流IC與占空比D成反比關系，如圖3所示。經計算選取R7、R11取10 kΩ，R4取150Ω，R6取1.5 kΩ。

圖3 反饋控制電路原理圖

5 實驗結果與分析

交流側輸入電壓為220 V時，測得該電源輸出電壓波形如圖3、圖4所示。

圖4 ＋5 V電壓波形

圖5±15V電壓波形

圖4 為U07的波形，圖5中＋15 V波形為U01、U02、U03、U04、U05中任何一路空載時波形，－15 V為U06空載波形。從波形可以看出輸出電壓穩定，紋波系數小，達到了設計要求。

6 結束語

本文設計了一種基于TOPSwitch－GX的電機伺服系統用多路單端反激式開關電源；介紹了TOPSwitch－GX系列芯片的特點、開關電源輔助電路設計依據；設計了給系統控制板以及功率器件驅動電路提供5路＋15 V、1路－15 V、1路＋5 V的獨立電源，輸出功率達到46 W；著重分析了高頻變壓器的設計，給出了詳細的設計步驟；設計了基于TL431和光耦PC817的反饋補償網絡保證輸出電壓的穩定性。

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