雙冷源除濕機用驅(qū)動控制電源分析與設(shè)計*

陳萬興，高 杰，唐海洋

(珠海格力電器股份有限公司，廣東 珠海 519070)

0 引言

目前開關(guān)電源在電子工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較廣，在小型化、集成化發(fā)展的今天，高精度開關(guān)電源已成為工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢。反激式開關(guān)電源價格便宜，設(shè)計簡單，體積小，電壓調(diào)節(jié)范圍寬，可滿足多種電源設(shè)計需求[1]。但常規(guī)開關(guān)電源精度低、紋波大、雜波滲透較率高，輸出端口少，難以滿足精密設(shè)備電源需求，設(shè)備因干擾而失控的情況多不勝數(shù)。

針對雙冷源除濕機驅(qū)動板供電精度要求較高，輸入電源要求較多的情況，采用TOP264 芯片設(shè)計一款A(yù)C/DC-DC 的雙模式輸入、多路輸出的開關(guān)電源，用于給雙冷源除濕機產(chǎn)品供電。電源需要滿足結(jié)構(gòu)簡單、體積小，占空比可跟隨輸入信號發(fā)生變化，使輸出電壓保持穩(wěn)定，同時可使系統(tǒng)均衡輸出，能根據(jù)使用環(huán)境要求調(diào)整適用范圍，為各路負(fù)載提供準(zhǔn)確可靠的電源。

1 原理與設(shè)計

反激式開關(guān)電源是指當(dāng)直流電為變壓器供電時，將能量存儲在變壓器的初級繞組內(nèi)，當(dāng)直流電關(guān)斷時，才將能量傳遞到次級，從而為負(fù)載供電，相比于正激式開關(guān)電源少了一個大的儲能濾波電感和續(xù)流二極管，因此價格和體積占優(yōu)[2]。此次所設(shè)計的開關(guān)電源原理圖如圖1 所示。AC 220 V 經(jīng)過整流濾波得到311 V 直流電，預(yù)留直流供電端口PWR1 方便不同的輸入電源需求。直流電經(jīng)過變壓器后為TOP264 芯片供電。變壓器副邊經(jīng)過整流、濾波得到18 V、15 V、8 V、28 V 四路直流電壓。對18 V 輸出電壓進行采樣，經(jīng)過TL431、光耦，為TOP264芯片提供反饋信號，通過控制電源芯片集成MOS 管的開通與關(guān)斷，使電源穩(wěn)定工作[3]。

圖1 驅(qū)動控制電源原理圖

2 關(guān)鍵元器件選型

2.1 整流橋選型

電源輸出功率P0設(shè)為20 W，則整流橋的耐流值為：

式中，電源效率η 取值0.75，電流過載安全系數(shù)α 取值5，最小輸入電壓Vinmin取值100 V[4]。

整流橋耐壓為：

式中，最大輸入電壓Vinmax取值265 V。

因此整流橋選擇800 V 1.5 A，滿足要求。

2.2 電解電容

母線電容CDCmin關(guān)系到輸出電壓是否穩(wěn)定。CDCmin取值過低，直流脈動電壓將會升高，影響電源的輸出精度及電子元件壽命。CDCmin取值過高，電容價格將會成倍增長，且電壓脈動效果也不能得到改善，因此應(yīng)結(jié)合實際選擇合適的母線電容[5]：

式中，VDCmin為整流濾波后的最低輸出電壓101V；fL為輸入電源頻率50Hz，π 為180°，因此充電時間為[6]：

整流橋最大輸出電壓為[7]：

有效值電流為：

式中，假設(shè)Dmax為50%。

因此母線電容選擇47 μF 450 V 電解電容，滿足要求。

2.3 RCD 吸收回路

當(dāng)MOS 管關(guān)斷時，變壓器漏感阻止能量消失，產(chǎn)生尖峰電壓，它與最大直流電壓VDCmax以及副邊反射電壓一起作用于MOS 管，電壓過高容易導(dǎo)致MOS 管擊穿損壞，因此增加RCD 電路將這部分能量吸收并消耗掉[8]。

變壓器1、3 引腳的匝數(shù)為63 T(主繞組)，11、12 引腳為17 T(輸出28 V)，7、9 引腳為11 T(輸出18 V)，7、10引腳為9 T(輸出15 V)，7、8 引腳為5 T(輸出8 V)，即63:17:11:9:5。

則反射電壓為：

式中，Dmax為實際最大占空比[9]。

最大占空比Dmax驗證：

將20 W 輸出功率全部等效到18 V 輸出電路上，則負(fù)載總電流為[11]：

副邊反射電流為：

輸入功率為：

平均輸入電流為：

因Iin/D 為原邊平均電流，且必然等于副邊平均電流，即：

Dmax與近似相等，因此計算正確。

電源芯片峰值電壓預(yù)留10%的裕量，則芯片內(nèi)置MOSFET 所允許的箝位電壓為[12]：

式中，Vchipmax為芯片漏極峰值電壓725 V 。

初級線圈峰值電流為：

式中，KP為電流紋波系數(shù)，取值0.5。

則電阻R 取值為[13]：

式中，Le為變壓器漏感，取值22 μH；f 為芯片工作頻率，取值132 kHz。

箝位電容C 的作用是將漏感能量吸收掉，脈動電壓按鉗位電壓的7%處理，則：

芯片MOS 管所允許的總電壓為：

二極管的反向耐壓值需要大于1.5 倍的V′chipclamp，即：

變壓器的漏感尖峰電壓為：

二極管的反向耐壓應(yīng)大于RCD 處電壓疊加值的10%，即：

變壓器輸入電流的平均值為：

二極管正向平均電流需要大于輸入電流平均值的20%，大于變壓器峰值電流的一半，即[14]：

因此，鉗位電路電阻選擇68 kΩ，電容選擇2.2 nF，二極管選擇FR107，其反向耐壓為1 000 V，正向平均電流為1 A，滿足要求[15]。

2.4 次級輸出二極管

開關(guān)電源包含四路輸出電壓，分別為：28 V 0.1 A、18 V 0.5 A、15 V 0.5 A、8 V 0.1 A，則28 V 輸出電路二極管的耐壓值為：

18 V 輸出電路二極管的耐流值為：

因為28 V 輸出電路二極管的耐壓值最大，18 V 輸出電路二極管的耐流值最大，考慮到器件的一致性，四路輸出電壓均選用200 V 2 A 的快恢復(fù)二極管[16]。

3 波形測試

根據(jù)電源需求，輸出電壓小于+12 V 的電壓紋波干擾的峰峰值應(yīng)≤0.15 V，+12 V 及以上電壓紋波干擾的峰峰值應(yīng)≤0.3 V。

3.1 18 V 輸出

實測18 V 引腳的輸出電壓為18.06 V，紋波為43 mV，波形如圖2、圖3 所示。

圖2 18 V 輸出電壓波形圖

圖3 18 V 輸出電壓紋波圖

3.2 15 V 輸出

實測15 V 引腳的輸出電壓為15.01 V，紋波為34 mV，波形如圖4、圖5 所示。

圖4 15 V 輸出電壓波形圖

圖5 15 V 輸出電壓紋波圖

3.3 8 V 輸出

實測8 V 引腳的輸出電壓為7.92 V，紋波為24 mV，波形如圖6、圖7 所示。

圖6 8 V 輸出電壓波形圖

圖7 8 V 輸出電壓紋波圖

3.4 28 V 輸出

實測28 V 引腳的輸出電壓為28.06 V，紋波為58 mV，波形如圖8、圖9 所示。

圖8 28 V 輸出電壓波形圖

圖9 28 V 輸出電壓紋波圖

通過數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，電源誤差小于1%，紋波小于100 mV。通過整機實驗驗證，電源可以長期穩(wěn)定地運行，EMI 效果好，滿足設(shè)計需求。

4 結(jié)論

經(jīng)測試，所得電源實現(xiàn)了AC/DC 雙模式輸入，多路精確電壓輸出的功能。通過設(shè)計與計算，完成了關(guān)鍵元器件的選型，對電源芯片、模塊功能和工作波形進行了充分的測試和分析，并進行了相關(guān)的整機工況實驗，實現(xiàn)了電源的平滑啟動和穩(wěn)定運行。所得電源安全穩(wěn)定、易于控制、可靠性高、成本低廉，能廣泛地應(yīng)用于各種設(shè)備和復(fù)雜實驗工況，目前該電源已被用于雙冷源除濕機的驅(qū)動控制主板供電。