在UPS、變頻器等電力電子系統(tǒng)中,出于提高可靠性、隔離和不同器件所需供電電壓不同等原因,往往需要多路輸出的隔離電源供電解決方案,而單片開關(guān)電源以其高集成度高效率等優(yōu)勢已逐漸成為設(shè)計該類電源的首選[1]。本文針對某變頻電源的DSP控制系統(tǒng)的供電需求,采用PI公司推出的第四代單片開關(guān)電源集成芯片TOPSwitch-248Y,完成三路輸出的65W輔助電源設(shè)計,同時為了實現(xiàn)良好的控制性能,著重對閉環(huán)反饋網(wǎng)絡(luò)進行了優(yōu)化設(shè)計。
1 新型TOP Switch-GX芯片簡介
1.1 TOP Switch–GX性能特點
TOP Switch-GX系列IC采用了Power Inte- grations的ECO Smart節(jié)能技術(shù),具有出色的待機功耗指標并在所有負載條件下都能持續(xù)高效工作,可在整個負載范圍內(nèi)獲得最佳的工作效率[2] [3]。
與第三代TOP Switch-FX相比,TOP Switch-GX不僅具備TOP Switch-FX系列的全部優(yōu)點,并且還將最大輸出功率從75W擴展到了250W,適宜構(gòu)成大、中功率的高效率、隔離式開關(guān)電源;將開關(guān)頻率提高到了132kHz,進而有助于減小高頻變壓器及整個開關(guān)電源的體積;當(dāng)開關(guān)電源的負載很輕時,該芯片能自動將開關(guān)頻率從132kHz降到30kHz(半頻模式下則由66kHz降至15kHz),降低了開關(guān)損耗,進一步提高電源效率;采用了ECO Smart的節(jié)能新技術(shù),顯著降低了在遠程通/斷模式下芯片的功耗,當(dāng)輸入交流電壓為230V時,芯片功耗僅為160mW。
1.2 TOP Switch–GX工作原理
TOP Switch-GX芯片有6個引出端,分別是控制端C、線路檢測端L、極限電流設(shè)定端X、源極S、開關(guān)頻率選擇端F和漏極D。利用L端可以實現(xiàn)5種功能:過電壓(OV)保護;欠電壓保護(UV);電壓前饋;遠程通/斷和同步。利用X端可以從外部設(shè)定芯片的極限電流。而利用F端可以設(shè)定芯片工作方式:全頻方式(132kHz)和半頻方式(66kHz)。芯片內(nèi)部主要由控制電壓源、帶基準電壓源、頻率抖動振蕩器、并聯(lián)調(diào)整器/差分放大電路、脈寬調(diào)制器、過流保護電路等18個部分組成, TOP Switch-GX的工作原理是利用反饋電流來調(diào)節(jié)占空比D,達到穩(wěn)壓的目的。當(dāng)輸出電壓Uo發(fā)生變化時,通過取樣電阻后,就可使TL431的輸出電壓產(chǎn)生相應(yīng)的變化,進而使PC817中LED的工作電流改變,最后通過單片電源的控制管腳C電流變化量來調(diào)節(jié)占空比D,使Uo產(chǎn)生相反的變化,最終使Uo維持不變。
2 反激式開關(guān)電源設(shè)計
2.1 芯片選擇
電源設(shè)計最大輸出功率為65W,三路輸出:+15V和-15V,每路輸出電流為1.5A。另一路為+5V,輸出電流為4A,電源的效率為87%。為了使電源可以在各種工況下穩(wěn)定輸出,可靠工作, 因此還需要留有一定的設(shè)計裕量(一般取20%),本次設(shè)計選擇TOP248Y芯片,在較大功率時,Y封裝安裝簡單,有利于散熱。
2.2 電路原理圖
電源電路如圖1所示,電源采用單端反激式拓撲結(jié)構(gòu),當(dāng)電源輸入交流220V±10%時,交流電經(jīng)過軟啟動電阻,電磁干擾(EMI)濾波器(C1和L1)和輸入整流濾波器得到高壓直流電。
2.3 高頻(CCM模式)反激變壓器設(shè)計
變壓器的主要功能是功率傳送、電壓變換、電氣隔離,變壓器的參數(shù)對開關(guān)電源性能影響很大,因此高頻變壓器的設(shè)計在研制單片開關(guān)電源時顯得極為重要,以下介紹相關(guān)參數(shù)的設(shè)計。
設(shè)計指標:為了增大電源的變化效率,設(shè)計變壓器工作在電流連續(xù)模式(CCM)下,輸入直流250～360V,最大占空比50%,±15V、+5V三路輸出。本次設(shè)計采用面積乘積(AP)法來進行高頻變壓器設(shè)計。
(1)變壓器磁芯選擇
根據(jù)AP法:
式中Aw:磁芯窗口面積cm2;Ae:磁芯截面積cm2;f:工作頻率Hz;Bm:工作磁感應(yīng)強度,取Bm=0.16T;J:電流密度,取J=5A/mm2;Ku:窗口利用系數(shù),取Ku=0.4;Ki:磁芯間隙系數(shù),取Ki=1。
選EI40鐵氧體磁芯
Ae=1.27cm2, Aw=1.73cm2
Ae×Aw=1.27×1.73=2.2cm4>0.96cm4,因此滿足設(shè)計要求。
(2)初級匝數(shù)計算
初級峰值電流:
初級電感量:
取Np=47匝。
(3)次級匝數(shù)計算
在反激變換器中,副邊反射電壓即反激電壓Uor與輸入電壓之和,不能高于主開關(guān)管的耐壓,同時還應(yīng)留有一定的裕量,通過計算,此處Uor取130V。原副邊匝數(shù)比為
對于+5V輸出,考慮到整流二極管的管壓降和線路壓降,Uo1=5+1=6V,故匝,實際取Ns1=3匝;對于±15V，Uo2=15+3=18V，故匝,實際取Ns2=7匝。
(4)氣隙計算
為了避免磁芯飽和,應(yīng)該在磁回路中加入一個適當(dāng)?shù)臍庀禠g,其值由下式計算
取Lg=0.6mm。
至此,變壓器的主要參數(shù)已經(jīng)確定,之后還需核算磁芯窗口面積是否夠大,變壓器的溫升及損耗是否滿足要求。
2.4 TOP248Y外圍電路設(shè)計
該電路采用由TL431A型可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓管和PC817A型線性光耦合構(gòu)成精密反饋電路,R2和R3用來從外部設(shè)定功率開關(guān)管的漏極極限電流,當(dāng)然輸入直流電壓過電壓時,R2和R3還能自動降低最大占空比Dmax,對最大負載功率加以限制。R1為欠電壓和過電壓檢測電阻,并能對線路提供電壓前饋,以減小開關(guān)頻率的波動。
VD1、VZ和C4構(gòu)成漏極鉗位電路,吸收單片開關(guān)電源關(guān)斷時產(chǎn)生的尖峰電壓,保護器件不受損壞。VZ選用鉗位電壓為200V的P6KE200型瞬態(tài)電壓抑制器,VD1采用UF4006型超快恢復(fù)二極管。將C4和VZ并聯(lián),減小鉗位損耗[5]。
整流二極管的選擇:
輸出整流濾波電路中,輸出整流二極管的開關(guān)損耗一般會占到系統(tǒng)損耗的1/6到1/5,是影響開關(guān)電源效率的主要因素。肖特基二極管反向恢復(fù)時間極短,可小到幾納秒,正向?qū)▔航祪H為0.4V左右。這些優(yōu)良的特性使得它很適合作單片開關(guān)電源中的低壓輸出整流管。
所選二極管必須滿足以下條件:
URM≥2UBR (7)
Id≥3IOM (8)
因此通過計算,本次設(shè)計中各路輸出整流管都采用MBR20100肖特基二極管。高頻變壓器次級輸出電壓分別經(jīng)肖特基二極管VD2～VD4整流和電解電容C6～C12濾波,再通過LC濾波,濾除開關(guān)噪聲,獲得穩(wěn)定的直流輸出電壓。
2.5 雙極點補償反饋網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計
反饋控制電路的設(shè)計目的是使開關(guān)電源在各種工況下穩(wěn)定工作,并且要達到穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能設(shè)計要求,因此控制電路設(shè)計的核心是電壓或電流反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計[4]。系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。
由此圖可以得出校正前系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù):
G(s)=Ge(s)Gc(s)Go(s)H(s) (9)
其中,Ge(s)為調(diào)節(jié)器的等效傳遞函數(shù),Gc(s)為PWM環(huán)節(jié)等效傳遞函數(shù),Go(s)為變換器的等效傳遞函數(shù),H(s)為反饋環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)。
單端反激式變換器實際上是帶變壓器隔離型的buck-boost電路,等效電路模型如圖3所示。根據(jù)狀態(tài)空間平均法可推導(dǎo)出基于峰值電流控制的反激式變換器的小信號數(shù)學(xué)模型,通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)可知模型中不含ESR零點,在電流連續(xù)(CCM)情況下右半平面帶有一個零點的一階函數(shù)。
其中S1、S2的邏輯狀態(tài)為,當(dāng)開關(guān)打開時S1=S2=0,當(dāng)開關(guān)閉合時S1=S2=1。而且S1和S2不能同時為1。
(10)
得到GO傳遞函數(shù)如下:
(11)
上式中,Uo(s)為輸出變量,Ue(s)為電壓反饋量的誤差信號;D為占空比:K=(1-N2/RL);L為變壓器原邊電感;RL為負載電阻。其中對于多路輸出的負載RL,是指控制輸出端的等效負載。在此將其它各路的輸出負載都等效到5V反饋輸出上得到:
RL=R5V//R15V(N5V/N15V)2//R-15V(N5V/N-15V)2
=U5V2/Po (12)
假設(shè)光耦傳輸系數(shù)CTR=100%，帶入相關(guān)參數(shù)得:
(13)
由MATALAB仿真得出校正前系統(tǒng)幅頻、相頻特性如圖4所示。
調(diào)節(jié)器部分是以TL43l和線性光耦PC817為主要器件而構(gòu)成補償網(wǎng)絡(luò)。通常電壓調(diào)節(jié)器都是采用單極點補償?shù)腜I調(diào)節(jié)器,由于實際濾波電路中的輸出電容的串聯(lián)等效電阻較大,由此產(chǎn)生的零點會使系統(tǒng)的高頻衰減不夠,使得輸出電壓紋波較大。因此本次設(shè)計采用如圖5所示的補償網(wǎng)絡(luò),在高頻增加一個極點以進一步降低輸出電壓紋波,改善電路的瞬態(tài)響應(yīng)。
其傳遞函數(shù)為
(14)
一般C14<
(15)
其中RM=R6// R9// R10
上式中有一個零點和兩個極點,其中的一個極點在原點處,它們分別為:
由于TOP Switch-GX系列的開關(guān)頻率是132kHz,一般截至頻率fC取開關(guān)頻率的1/5～1/10,在此取1/10,為13.2kHz。
由校正前被控系統(tǒng)的Bode(圖4)可以看出,要使校正后系統(tǒng)的截止頻率為13.2kHz,那么補償網(wǎng)絡(luò)的增益為35.5dB,即20log(R7/RM)=35.5dB取RM=10kΩ,則R7=56kΩ。
另外，根據(jù)公式
又同時在補償極點的設(shè)計時要考慮的右半平面零點的頻率,并且綜合考慮相位裕量和穩(wěn)定帶寬的關(guān)系,最終選取調(diào)節(jié)器的參數(shù)如下:
C15=13nF, C14=578pF
校正后系統(tǒng)幅頻、相頻特性如圖6所示。
通過Bode圖分析可以看出,通過調(diào)節(jié)R5的值,可以使系統(tǒng)得到較大的增益,通過設(shè)計雙極點補償反饋網(wǎng)絡(luò)使得系統(tǒng)能以-20dB/dec的斜率穿越零分貝線,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,并且在穿越頻率處保證了足夠大的相位裕度,從圖上可以看出校正后系統(tǒng)的相位裕度為93°,所以設(shè)計的雙極點補償反饋網(wǎng)絡(luò)是成功的,能夠保證所設(shè)計的開關(guān)電源穩(wěn)定工作并且具有良好的動態(tài)響應(yīng)。
3 電源實驗測試結(jié)果
輸出各路帶額定負載時電源主要輸出波形如圖7所示。
據(jù)實驗測試結(jié)果表明,在額定負載情況下,電源轉(zhuǎn)換效率達到87%,輸出電壓紋波在誤差允許的范圍內(nèi),符合設(shè)計要求。
4 結(jié)束語
本文針對DSP控制系統(tǒng)的供電需求,采用PI公司的第四代單片開關(guān)電源芯片(TOP Switch-248Y)設(shè)計了三路輸出DSP專用輔助電源。通過建模和動態(tài)分析,設(shè)計了新型的補償網(wǎng)絡(luò),實驗表明該電源在抗干擾能力、電能轉(zhuǎn)換效率,穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)響應(yīng)等方面都有了明顯的提高,輸出電壓紋波也得到了顯著的改善。該電源在實際工業(yè)現(xiàn)場長時間可靠穩(wěn)定運行,達到了設(shè)計要求。