基于TOP204雙路輸出開關(guān)電源設(shè)計(jì)

1引言

真空鍍膜技術(shù)在近10幾年迅猛的發(fā)展中，已經(jīng)涉及到各個(gè)行業(yè)。尤其是磁控濺射技術(shù)在薄膜制備領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。磁控濺射電源就是針對(duì)磁控濺射環(huán)節(jié)所設(shè)計(jì)使用的開關(guān)電源，其性能直接關(guān)系到鍍膜產(chǎn)品的質(zhì)量，已成為衡量磁控濺射設(shè)備狀態(tài)的重要對(duì)象。因此，設(shè)計(jì)性能良好的電源就成為了行業(yè)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。近幾年來(lái)，隨著電力電子功率變換技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，PWM控制的開關(guān)電源以其極高的性價(jià)比獲得了廣泛的應(yīng)用。尤其是單片開關(guān)電源控制芯片獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，TOPSWITCH系列單片電源芯片已將自啟動(dòng)電路、功率MOSFET，PWM控制電路以及保護(hù)電路集成在一起，再通過(guò)小型高頻變壓器便可使輸出電壓與電網(wǎng)輸入完全隔離，不僅提高了電源的效率，簡(jiǎn)化了外圍電路，而且降低了電源成本和體積，增強(qiáng)了電源的可靠性。

在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行鍍膜的過(guò)程中，需要對(duì)電壓的穩(wěn)定性進(jìn)行檢測(cè)，而檢測(cè)系統(tǒng)需要輸入穩(wěn)定、精確度高的±15V直流電源。由于受到體積限制，這兩路電源變換應(yīng)盡可能結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸入電壓范圍寬、可靠實(shí)用，同時(shí)滿足較好的隔離性(若采用UC3842芯片，其電源部分不僅成本提高，而且增加了整個(gè)控制系統(tǒng)的體積)。

為此，本文根據(jù)單端反激式開關(guān)電源原理，選擇了TOP204單片電源控制芯片作為核心器件，提出了一種可實(shí)用于代替UC3842芯片的開關(guān)電源。該開關(guān)電源不僅可以滿足檢測(cè)系統(tǒng)所需電壓，而且電路簡(jiǎn)單、可靠、穩(wěn)壓性能好，開關(guān)電源部分所用器件少，從而使整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的體積減小。

2電路設(shè)計(jì)

圖1為采用TOP204芯片構(gòu)建的單端反激式隔離開關(guān)穩(wěn)壓電源原理圖。輸入為（~220±15%）V交流市電，輸出雙路電壓分別為+15V，-15V直流電，其兩路輸出功率均為7.5W。

由于TOP204的高度集成性，設(shè)計(jì)工作主要圍繞其外部電路進(jìn)行，同時(shí)結(jié)合檢測(cè)系統(tǒng)用電特點(diǎn)對(duì)其輸出電壓精確度進(jìn)行分析。根據(jù)TOP204芯片的工作原理，其外圍電路可分為輸入整流濾波電路、漏極保護(hù)電路、變壓器、輸出整流濾波電路以及反饋電路五部分，下面將分別進(jìn)行原理和功能分析。

圖1單端反激式隔離開關(guān)穩(wěn)壓電源原理圖

2.1輸入整流濾波電路

220V的交流市電通過(guò)保險(xiǎn)絲和8w的水泥電阻之后，進(jìn)入EMI濾波器，它是由C1、Lt和C2組成。其中C1、C2是為了除去差模干擾，其值為0.1μF/630V。Lt為濾波線圈，采取雙線并繞，其值為33mH。整流電路采用反向耐壓大于400V，沖擊電流大于額定整流電流（7~10）倍的整流二極管，且整流二極管的穩(wěn)態(tài)電流容量應(yīng)為計(jì)算值的兩倍。由此選擇4個(gè)FR107二極管做整流橋。

電容+C1的值可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)1μF/w來(lái)取，考慮到裕量，+C1=68μF/400V。由于220V交流市電在15%之間波動(dòng)，故VACmax=253V，VACmin=187V。假設(shè)整流橋中二極管導(dǎo)通時(shí)間為Ton=3ms，由式(1)和式(2)可得輸入直流電壓最小值和最大值為：

式中：η1為系統(tǒng)效率，可選80%；fl為交流電網(wǎng)頻率；Po為電源輸出功率。

2.2漏極嵌位電路

當(dāng)TOP204中的主功率MOSFET由導(dǎo)通變成截止時(shí)，在高頻變壓器T的初級(jí)繞組Ll上會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓和感應(yīng)電壓，其中尖峰電壓是由于高頻變壓器存在漏感而形成，它與直流高壓和感應(yīng)電壓疊加后很容易損壞主功率管。為此，必須設(shè)計(jì)漏極嵌位電路，對(duì)尖峰電壓進(jìn)行嵌位或吸收。

DZ和D5構(gòu)成的嵌位電路可防止高電壓對(duì)TOP204的損壞。其中DZ采用型號(hào)為P6KE200，反向擊穿電壓為220V的TVS（瞬態(tài)電壓抑制器)，D5采用型號(hào)為BYV36C，反向耐壓為700V的超快恢復(fù)二極管。

2.3變壓器設(shè)計(jì)

（1）鐵芯類型

根據(jù)TOP204芯片100kHz的工作頻率選用錳鋅鐵氧體。通常，輸出功率和磁芯截面積由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，即

式中：Ae為變壓器磁芯的有效截面積(cm2)；Po為電源的輸出功率(w)；η2為變壓器的效率，一般取85%。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算，可以選擇EI-22鐵氧體磁芯，其有效截面積大于Ae的計(jì)算值。