基于TOP224YN的380V交流输入反激式辅助电源的研制

作者 / 黄鲁晨1 黄辉1 董雅茹1 王鑫2 1.北京交通大学 电气工程学院(北京 100044) 2.北京市电加工研究所(北京 100191)

摘要：基于PWM控制芯片TOP224YN，研制了一款380 V交流输入、三路输出的反激式开关电源。考虑到芯片本身的耐压能力与较大输入电压的矛盾，本设计采取了以TOP224YN外接MOSFET的方式，成功地解决了耐压裕量不足的问题，突破了将该芯片用于大电压输入的开关电源的局限。在简要介绍控制芯片的工作原理的基础上，本文详细阐述了电源的关键电路，如EMI滤波电路、高频变压器和反馈控制回路的设计流程。经过实验测试，验证了电源设计的正确性和可行性。该电源具有输入电压大、稳压性能优良、纹波小、效率高和电磁兼容性好等优点。

1 概述

　　开关电源和线性电源相比，具有效率高、体积小和稳定性高等显著优势，其应用越来越广泛。目前，市面上使用最多的AC-DC反激式开关电源主要分为四种输入方式：一是85 V~265 V宽范围交流输入;二是100V/115V交流固定输入;三是230 V±35 V交流固定输入;四是100 V/115 V交流倍压输入方式^[1]。而大多数反激式开关电源采用220 V交流电压供电。

　　本文为电火花机床电源供给系统研制了一款辅助电源，根据系统要求，该电源交流输入为380V，集多路和稳压输出为一体。考虑到美国PI公司生产的TOPSwitchⅡ芯片系列具有集成度高、外围电路简单的优点，因此将其作为本设计的PWM控制芯片。但是，本芯片可承受的电压与要求的输入电压相比，裕量不够。因此，本设计通过将芯片外接MOSFET的方式解决此问题，这样既满足了输入电压值的要求，又保留了该芯片使用简便的优点。

2 主电路设计

　　2.1 电源设计指标

　　根据电火花机床电源供给系统中的供电需求，设计的开关电源应满足以下指标：设定电源交流输入范围为198 V~418 V，主要工作输入电压为交流380 V;输出为：+15 V/0.5 A、-15 V/0.5 A和24 V/2 A，其地均与输入侧地隔离，其中±15 V输出共地，与+24 V输出隔离;开关频率为100 kHz;总输出功率为65 W，损耗分配系数为0.5;电源效率为80%。

　　2.2 系统设计方案

　　本次设计的辅助电源拓扑结构框图如图1所示，主要包括TOP224YN外围控制回路设计，EMI滤波电路、输入整流滤波电路、钳位电路、输出整流滤波电路、LM2596稳压电路、反馈控制回路等。

　　2.3 TOP224YN芯片简介及外围电路设计

　　TOP Switch系列芯片是美国PI公司生产的三端离线式PWM/MOSFET复合开关，因其外围电路简单，可实现电气隔离，保护功能齐全，适用于反激、正激、升降压等各种拓扑的优点而得到广泛应用^[2]。

　　本电源的控制回路采用的是PWM控制芯片TOP224YN对主输出进行稳压，但仅使用该芯片只能适用于85V~265V交流输入的电源，无法满足系统需求的380V输入。本设计提出的解决方案是采用控制芯片外接MOSFET的方式，通过与芯片内部MOSFET的串联来增大开关管的耐压值，从而留出合适的裕量，保证开关电源稳定可靠的工作。已知芯片耐压值为700 V，外接的MOSFET耐压值为900 V，而交流输入电压经过整流滤波电路后施加在开关管上的电压大约为537 V，可见这样处理后使得整体的开关管的耐压值大于输入电压的两倍，设计合理。需要注意的是工作时要保证两个开关管的同时导通和关断。这种方法不仅突破了采用TOP224YN控制芯片设计电路的局限性，并且使设计大电压输入的开关电源变得简便，对大电压输入、集成度高的开关电源的设计具有一定的参考价值。

　　TOP224YN外接MOSFET的具体电路如图2(TOP224YN与外部MOSFET串联电路模块)所示，图中d₁和s₁分别表示外部MOSFET的漏极和源极，d₂和s₂分别代表TOP芯片内部MOSFET的漏极和源极，从原理图上分析可知，当d₂和s₂之间导通时， s₁被下拉到低电平，此时g₁和d₁均处于高电平，则外部MOSFET也处于导通状态;反之，当d₂和s₂之间关断时，电路断开，d₁和s₁也无法导通，输入电压被分配到两个MOSFET上，缓解了耐压压力。

　　此外，其他关键电路还有EMI滤波电路、高频变压器和反馈控制回路。其参数的选择直接影响到电源的最终性能。下面将一一阐述。

3 其它关键电路设计

　　3.1 EMI滤波电路设计

　　考虑到电源的电磁兼容性，设计时在输入输出端均加入EMI滤波电路，一方面去除电网输入的谐波，另一方面减小输出纹波大小。电路主要包含X电容和Y电容，X电容(C₃和C₄)主要抑制差模干扰，根据文献[3]中滤波器参数的设置方法，本设计X电容值为10 nF;Y电容(C₁和C₂)主要抑制共模干扰，容值为10 nF，EMI电路所用共模电感，通常取值为5~33 mH，本设计取10 mH。

　　3.2 高频变压器设计

　　3.2.1 计算最大占空比

　　在输入电压最小值时取到最大占空比D_max，公式为

(1)

　　其中，V_or为反射电压，取135 V;V_imin为最小输入直流电压，因为电源交流输入范围为198 V~418 V，则根据文献[4]中对应关系可得，直流电压输入范围为213V~591 V，则V_imin=213 V;V_dson是主开关导通时的漏源间压降，典型值为10 V。

　　3.2.2 选择磁芯规格

　　根据AP法^[5]

(2)

　　其中，k_f为波形因数，方波时为4;k₀为窗口使用系数，一般取0.3;f_s为开关频率;B_w为工作磁感应强度，大多数铁氧体的饱和磁通密度B_s在0.3 T(300 mT)左右，一般取B_w=(1/3~2/3)Bs，本设计取B_w=(2/3)Bs;J为电流密度，取J=4×106 A/m;P_t为视在功率，值为146.25 W。查磁芯规格表，可选取EC35型磁芯。

　　3.2.3 计算初、次级匝数

　　应该按照最大输入直流电压来计算初级绕组匝数N_p^[7]，根据电磁感应定律

(3)

　　其中，A_e为磁芯有效截面积，由磁芯型号查表可得A_e=84.3 mm2。代入公式得N_pA_e=11525.5 匝×mm2，则N_p=136.7，取值140 匝。

　　次级匝数N_S=[(V_out+V_d)(1-D_max)N_p]/(V_iminD_max)，其中V_out为各路输出电压值，V_d为输出整流二极管正向压降，典型值0.8 V。计算得次级匝数分别为：

　　26 匝(+24 V输出)，17 匝(±15 V输出)。

　　3.2.4 计算初级电感量

　　初级绕组流过的峰值电流

　　3.3 反馈控制回路设计

　　本设计的反馈控制回路主要包括光耦PC817、稳压管TL431和TOP224YN，工作方式是通过采样电压与TL431的基准电压进行对比，改变TL431阴极电位的大小，使得流经PC817的电流值发生变化，进而导致TOP224YN上的控制电流Ic的值发生相应改变，调节占空比，控制开关管的导通时间，实现稳压。

　　确定完控制策略以后，主要是计算回路中各电阻的阻值。根据公式V_ref=[R₂₂/(R₂₀+R₂₂)]/V_out，其中V_ref为稳压源TL431提供的参考端电压，为2.5 V;V_out=24 V为正常输出电压;取R₂₂为7.5 kΩ，得到R₂₀=64.5 kΩ。TOP芯片上的控制端电流I_c为4 mA，根据对应关系得到流过光耦的正向电流I_f=3 mA，又依据R₁₉=(V_r18+V_f)/(I_ka-I_f)，其中V_r18为电阻R18上的压降，由于R₁₈=1 kΩ，则V_r18= I_f×R₁₈=3 V;Vf为PC817中二极管的正向压降，典型值为1.2 V;I_ka为采样支路电流，取7.2 mA;R₁₈=1 kΩ，可得R₁₉=1 kΩ。根据功耗方面考虑，R₁₉应小于1.2 kΩ，故满足设计条件。

4 样机测试结果及分析

　　对设计的开关电源样机性能进行测试，分别测试在轻载、半载、重载和满载情况下的开关管工作波形、输出电压及纹波等。本文列出满载情况下的测试波形图。

　　图3~图5给出了实测波形。由图可见当外部MOSFET栅源极电压为正时，控制芯片内部MOSFET漏源极导通;反之，内部MOSFET承受338 V电压，接近其耐压值的一半，满足使用条件，也保证了外部MOSFET的承受电压在900 V的耐压值范围之内，工作稳定。满载情况下纹波电压为294 mV，小于1.23%，满足设计要求。

　　通过调试分析，该电源工作稳定，性能优良，可为电源供给系统提供稳定电压。

5 结论

　　本文设计了一款基于TOP224YN的380V交流输入，+24 V，±15 V三路输出的反激式辅助电源。通过详细的分析推导，选取合适的元器件，通过Saber仿真验证了参数选取的正确性。样机实测结果表明，电源各项指标均符合要求，输出稳定，性能良好，此电源已被运用在电火花机床电源供给系统中，作为系统的辅助电源使用。本设计中采用的PWM控制芯片外接单管MOSFET的方法对较大输入电压的电源的设计具有一定的指导意义。

　　参考文献：

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　　本文来源于《电子产品世界》2018年第10期第53页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。