多路單端反激式開關電源設計

摘要：設計了一種基于TOP223Y多路輸出單端反激式開關電源。采用TOP Switch系列三端高頻單片開關電源芯片，配合由TL431、PC817A組成的反饋系統對外圍電路進行分析。設計出了一種輸出為+5 V／3 A，+12 v／1A不同穩壓調整權重分別為0．6，0．4的AC／DC開關電源。實驗結果表明，該開關電源不但效率高，紋波小，而且輸出精度高和穩定性強。
關鍵詞：開關電源；單端反激；高頻變壓器；雙反饋

單片開關電源自問世以來，以其效率高，體積小，集成度高，功能穩定等特點迅速在中小功率精密穩壓電源領域占據重要地位。美國PI公司的TOPSwitch系列器件即是一種新型三端離線式單片高頻開關電源芯片，開關頻率fs高達100 kHz，此芯片將PWM控制器、高耐壓功率MOS FET、保護電路等高度集成，外圍連接少許器件即可使用。本文介紹了一種基于TOP223Y輸出為+5 V／3 A，+12 V／1 A的單端反激式開關電源的設計原理和方法。

1 設計原理
開關電源是涉及眾多學科的一門應用領域，通過控制功率開關器件的開通與關閉調節脈寬調制占空比達到穩定輸出的目的，能夠實現AC／DC或者DC／DC轉換。

TOP223Y共三個端：控制極C、源極S、漏極D。因只有漏極D用作脈寬調制功率控制輸出，故稱單端；高頻變壓器在功率開關導通時只是將能量存儲在初級繞組中，起到電感的作用，在功率開關關閉時才將能量傳遞給次級繞組，起變壓作用，故稱反激式。
電路功能部分主要由輸入／輸出整流濾波、功率變換、反饋電路組成。工作原理簡述為：220 V市電交流經過整流濾波得到直流電壓，再經TOP223Y脈寬調制和高頻變壓器DC—AC變換得到高頻矩形波電壓，最后經輸出整流濾波得到品質優良的直流電壓，同時反饋回路通過對輸出電壓的采樣、比較和放大處理，將得到的電流信號輸入到TOP223Y的控制端C，控制占空比調節輸出，使輸出電壓穩定。

2 設計要求
設計作為某智能儀器的供電電源，具體的參數要求如下：交流輸入電壓最小值：VACMIN=85 V；交流輸入電壓最大值：VACMAX=265 V；輸出：U1：+5 V／3 A；U2：+12 v／1 A；輸出功率：Po=27 W；偏置電壓：VB=12 V；電網頻率fL=50 Hz；開關頻率fs=100 kHz；紋波電壓：小于100 mV；電源效率：η大于80％；損耗分配因數Z為0．5；功率因數為0．5。

3 設計實例
本設計是基于TOP223Y的多路單端反激式開關電源，性能優越，便于集成。電路原理如圖2所示，可分為輸入保護電路、輸入整流濾波電路、鉗位保護電路、高頻變壓器、輸出整流濾波電路、反饋回路、控制電路7個部分。

3．1 輸入保護電路
由保險絲F1、熱敏電阻RT和壓敏電阻RV組成，對輸入端進行過電壓、過電流保護。
保險絲F1用于當線路出現故障產生過電流時切斷電路，保護電路元器件不被損壞，其額定電流IF1按照IF1>2IACRMS選擇3 A／250 VAC保險絲，其中IACRMS為原邊有效電流值。熱敏電阻RT用以吸收開機浪涌電流，避免瞬間電流過大，對整流二極管和保險絲帶來沖擊，造成損壞，加入熱敏電阻可以有效提高電源設計的安全系數，其阻值按照RRT1>0．014VACMAX／IACRMS選擇10D-11(10 Ω／2．4 A)。壓敏電阻RV能在斷開交流輸入時提供放電通路，以防止大電流沖擊，同時對沖擊電壓也有較好鉗位作用。RV選取MY31-270／3，標稱值為220 V。
3．2 輸入整流濾波電路
由EMI濾波電路、整流電路、穩壓電路組成。
EMI濾波電路針對來自電網噪聲干擾。采用由L1，CX1，CX2，CY1，CY2構成典型的∏型濾波器。
CX1和CX2用來濾除來自電網的差模干擾，稱為X電容，通常取值100～220 nF，這里取100μF；CY1和CY2用來濾除來自電網的共模干擾，稱為Y電容，通常取值為1～4．7 nF，這里取2．2 nF；同樣用來消除共模干擾的共模電感L1的取值8～33 mH，這里取8 mH，采取雙線并繞。
輸入整流電路選擇不可控全波整流橋。整流橋的反向耐壓值應大于1．25倍的最大直流輸入電壓，整流橋的額定電流應大于兩倍的交流輸入的有效值，計算后選擇反向擊穿電壓為560 V，額定電流為3 A的KBP306整流橋。
在當前的供電條件下，輸入儲能電容器CIN的值根據輸出功率按照2～3μF／W來取值，考慮余量，取CIN=100μF／400 V的電解電容。假設整流橋中二極管導通時間為tc=3 ms，可由：

得到輸入直流電壓的最小值和最大值。