單端正激式開關電源的驅動電路的設計

一、基于TOPSwith單片機開關電源的基本原理

TOPSwitch( Three - terminal Off - line PWM Switch) 單片開關電源是美國PI ( Power Integration ) 公司于上世紀90 年代中期推出的新型高頻開關電源芯片,它用了3 個管腳將脫線式開關電源所必需的具有高壓N 溝道功率MOS 場效應管、電壓型PWM 控制器、100 kHz 高頻振蕩器、高壓啟動偏置電路、基準電壓、用于環路補償的并聯偏置調整器、誤差放大器和故障保護功能塊等全部集成在一起了。采用TOPSwitch 器件的開關電源與分立的MOSFET 功率開關及PWM 集成控制的開關電源相比,具有電路結構簡潔、成本低廉、性能穩定、制作及調試方便,自保護完善等優點。

TOPSwitch系列單片開關電源的典型應用電路如圖1所示。高頻變壓器在電路中具備能量存儲、隔離輸出和電壓變換這三大功能。由圖可見，高頻變壓器初級繞組Np的極性(同名端用黑圓點表示)，恰好與次級繞組Ns反饋繞組Nf的極性相反。這表明在TOPSwitch導通時，電能就以磁場能量形式儲存在初級繞組中，此時VDz截止。當TOPSwitch截止時，VD2導通，能量傳給次級，此為反激式開關電源的特點。圖中，BR為整流橋，CIN為輸入端濾波電容。交流電壓u經過整流濾波后得到直流高壓yt，經初級繞組加至TOPSwitch的兩極上。鑒于在TOPSwitch關斷時刻，由高頻變壓器溺感產生的尖峰電壓，會疊加在直流高壓Ui和感應電壓Uor上，可使功率開關管的漏極電壓超過700v而損壞芯片;為此在初級繞組兩端必須增加漏極鉗位保護電路。鉗位電路由瞬態電壓抑制器或穩壓管(VDz1)、阻塞二極管(VDl)組成，VDl宜采用超快恢復二極管(SRD)。VD2為次級整流管，Cout是輸出端濾波電容。

圖1 TOPSwitch系列單片機開關電源的典型應用電路

該電源采用配穩壓管的光耦反饋電路。反饋繞組電壓經過VD3、CF整流濾波后獲得反饋電壓UFB，經光耦合器中的光敏三極管給TOPSwitch的控制端提供偏壓。CT是控制端c的旁路電容。設穩壓管VDz2的穩定電壓為Uz2，限流電阻R1兩端的壓降為UR，光耦臺器中LED發光二極管的正向壓降為UF，輸出電壓Uo由下設定：Uo=Uz2+UF+UR。

該電源的穩壓原理簡述如下;當由于某種原因(如交流電壓升高或負載變輕)致使Uo升高時，因UZ2不變，故UF就隨之升高，使LED的工作電流IF增大，再通過光耦合器使了TOPSwitch比h的控制端電流Ic增大。但因TOFsw比D的輸出占空比D與Ic成反比，故D減小，這就迫使Uo降低，達到穩壓目的。反之，Uo↓UF↓IF↓Ic↓D↑Uo↑，同樣起到穩壓作用。由此可見，反饋電路正是通過調節TOPSwitch的占空比，使輸出電壓趨于穩定的。

二、主電路的實現

以下是正激式DC-DC變換器

圖2 正激式DC-DC變換器

1、輸入電路

保險絲F1、一次整流和低通濾波兩部分組成。一次整流部分采用單相橋式整流電路，選用的元器件為二極管，如圖2所示為D5、D7、D8、D10。

2、復位電路

二極管D3，D4變壓器繞組Nr構成復位電路，防止變壓器的激磁電感飽和。

3、導向電路和續流電路

在圖2中，D6是有兩個彼此反向的二極管串聯而成的。與變壓器同名端相連接二極管是導向二極管，與非同名端連接的是續流二極管，變壓器T1副邊的兩個二極管與變壓器T2一次繞組可構成TOP管開通后的二次整流電路(由二極管導向)和TOP管關斷后的續流電路。設計中選擇的D6型號為 MBR20100。

變壓器T1主要參數和繞制方法如下：

a)骨架磁心為EI33;磁心有效橫截面積Ae=1.18cm^2。

b)匝數比為n=100/6，其中Np=25匝,Nr=75匝,Nm=6匝*3(6匝，每匝3股)。

c)采用三明治繞法，不需要氣隙。

4、變壓器T2主要參數如下：

1)骨架磁心為EI25，磁心有效橫截面積Ae=0.4cm^2。

2) 匝數比為n=15/12，其中N1=15匝*4(15匝，每匝4 股)，N2=12匝。

3)一般繞法。

三、控制電路

1、反饋電路的選擇

本設計采用的反饋電路如圖3所示

圖3 配穩壓管的光耦反饋電路

該電路時穩壓管的光耦反饋電路，由VDZ提供參考電壓UZ，當Uo發生波動時，在LED上可獲得誤差電壓。因此，該電路相當于給TOPSwitch增加一個外部誤差放大器，再與內部誤差放大器配合使用，即可對Uo，進行調整。這種反饋電路能使負載調整率達到土1%以下。