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TOPSwitch-FX系列單片機開關電源的應用

鉅大LARGE  |  點擊量:206次  |  2020年05月14日  

摘要

TOpSwitch-FX系列單片機電源集成電路,可廣泛應用于各種通用及專用開關電源、待機電源、開關電源模塊中。


一、能進行外部限流的12V、30W開關電源


由TOp234Y構成12V、30W高效開關電源的電路如圖1所示。其交流輸入電壓范圍是AC85~265V,滿載時電源效率可達80%。交流電壓u依次經過電磁干擾(EMI)濾波器(C10,L1)、輸入整流濾波器(br,C1)獲得直流高壓UI。UI經過R1和R2分壓后接M端,能使極限電流隨UI升高而降低。R1可供應電壓前饋信號,當UI偏高時能自動降低最大占空比,以減小輸出紋波。R2為電流極限設定電阻,所設定的Ilimit≈0.7Ilimit=0.7×1.5A=1.05A,略高于低壓輸入時的峰值電流Ip值。這里將系數取0.7是考慮到TOp234Y在寬范圍輸入時,最大持續輸出功率pom=45W,而實際輸出功率p'om=30M,即p'om/pom=30/45=0.67≈0.7。采用這種設計方法允許高頻變壓器選用尺寸較小的磁芯,通過新增初級電感量Lp來降低TOp234Y的功耗,并防止出現磁飽和現象。此外,由于采用了降低Dmax的電壓前饋技術即使輸入電壓UI和初級感應電壓UOR較高,開關電源也能正常工作。它允許使用成本的R,C,VD型漏極鉗位電路(R3,C7,VD1),以替代價格較高的TVS(瞬態電壓抑制器)、VD型鉗位電路,用于吸收在TOp234Y關斷時由高頻變壓器漏感出現的尖峰電壓,對漏極起到保護用途。


次級電壓經過VD2,C2,C3,L2和C4整流濾波后,獲得+12V、2.5A的穩壓輸出。為減小整流管的損耗,VD2采用Mbr1060型10A/60V肖特基二極管。C9和R7并聯在VD2兩端,能防止VD2在高頻開關狀態下出現自激振蕩(振鈴)。當開關電源空載時,TOpSwitch-FX能采用跳過周期的方式進一步降低最大輸出占空比,使得Dmax<1.5%,因此,在輸出端無須接假負載,這樣還可降低空載或待機狀態下的功耗。

該電源采用帶穩壓管的光耦反饋電路。IC2為LTV817A型線性光耦合器。VDZ采用1N5240C型穩壓管,其穩定電壓Uz=10(1±0.02)V。光耦中LED的正向壓降UF≈1V.輸出電壓由下式確定:


Uo=Uz+UF+UR4


現將其穩壓原理分析如下:當由于某種原因致使Uo↑,Uo>U2+UF+UR4時,所出現的誤差電壓Ur'=Uo-(Uz+UF+UR4)就令LED的IF↑,經過光耦后,接收管的IE↑,使得控制端電流Ic↑,而占空比D↓,導致Uo↓,為而實現了穩壓目的。反之,Uo↓→IF↓→IE↓→Ic↓→D↑→Uo↑,同樣起到穩壓用途。


1N5240C的穩定電流典型值為20mA,取R4=150Ω時只能供給6.7mA的電流,進一步新增電阻值會受到LED工作電流IF(通常為3.5~7mA)的限制。為此,另由電阻R6供應13.3mA的工作電流,使VDz的穩定電流Iz=3.7mA+13.3mA=20mA,其穩壓特性也得到了改善。反饋繞組電壓經過VD3和C6整流濾波后,出現12V的反饋電壓,經過IC2給TOp234Y的控制端供應偏壓。C5是旁路電容,它還與R5構成控制環路的補償電路。


二、多路輸出的35W機頂盒開關電路


具有5路輸出的35W機頂盒開關電源電路如圖2所示。這5路電壓分別為:Uo1(+30V,100mA),Uo2(+18V,550mA),Uo3(+5V,2.5A),Uo4(+3.3V,3A),Uo5(-5V,100mA)。其中,+5V和+3.3V作為主輸出,其余各路均為輔輸出。當交流輸入電壓u=220(1±0.15)V時,總輸出功率達38.5W;若采用寬范圍電壓輸入(u=85~265VAC),總輸出功率就降成25W,可用作機頂盒(Set-topBox)、錄像機(VCR)、攝錄像機(CVCR)和DVD中的開關電源。該電源采用3片IC:TOp233Y(IC1),光耦合器LTV817A(IC2);可調式精密并聯穩壓器TL431C(IC3)。為減小高頻變壓器體積和增強磁場耦合程度,次級繞組采用了堆疊式繞法。由R4和C14構成的吸收回路可降低射頻噪聲對電視機等視頻設備的干擾。必要時還可將開關頻率選擇端(F)改接控制端(C),選擇半頻方式,以進一步降低電視機對視頻噪聲的敏感程度。


R6,R7和R8為比例反饋電阻,使5V和3.3V電源按照一定的比例進行反饋,這兩路輸出的負載調整率均可達±5%。R9和C16構成TL431C的頻率補償網絡。C17為軟啟動電容,取C17=22μF時可新增4ms的軟啟動時間,再加上本身已有10ms的軟啟動時間,總共為14ms。其余各路輸出未加反饋,輸出電壓均由高頻變壓器的匝數比來確定。因-5V電源的輸出功率很低,現通過電阻R2和穩壓管VDz2進行電壓調節。R9是+30V輸出的假負載,它能降低該路的空載及輕載電壓。鑒于5V,3.3V和18V電源的輸出功率較大,三者都新增了后級LC濾波器(L3和C9,L4和C11,L2和C7),以減小輸出紋波電壓。


TOp233Y具有頻率抖動特性,這對降低電磁干擾很有幫助。另外,再合理地選擇安全電容C15和EMI濾波器(C6,L1)的元件值,就能使開關電源出現的電磁輻射達到CISpR22(FCCB)國際標準。將C15的一端接U1的正極,能把TOp233Y的共模干擾減至最小。須要指出,C15和C6都稱作安全電容,差別只是C15接在高壓與地之間,能濾除初、次級耦合電容出現的共模干擾,在IEC950國際標準中稱之為“Y電容"。C6則接在交流電源進線端,專門濾波電網線之間的串模干擾,被稱作“X電容”。


為承受可能從電網線竄入的雷擊電壓,在交流輸入端還并聯只標稱電壓U1mA=275V的壓敏電阻器VSR。U1mA表示當壓敏電阻器上通過1mA的直流電流時,元件兩端的電壓值。


三、5V和3.3V輸出的17WpC待機電源


能供應5V,2A和3.3V,2A兩路主輸出的pC機待機電源電路如圖3所示。該電源還以最低成本新增了15V,30mA的輔輸出。電路中使用一片TOp232Y型單片機開關電源,總輸出功率為17.05W。直流輸入電壓的范圍是200~375V。亦可選220/110VAC固定輸入電壓,只須接入整流濾波器,而無須加輸入倍壓器對110VAC進行倍壓整流。該設計充分發揮了TOp232Y的軟啟動、欠壓保護、嚴格的限流特性和開關頻率高等優良特性,使得高頻變壓器可選EE19型磁芯。此外,由于TOp232Y新增了高壓漏極端與低壓端的間距,減小了引腳之間的漏電,因此電源能在較惡劣的環境下使用。C1為直流高壓的高頻退耦電容,當U1與待機電源距離很近時可省去C1。線路檢測電路R1用于設定欠壓值UUV。取R1=3.9MΩ時,UUV=IUV·R1=50μA×3.9MΩ=UI>195VDC時,才重新接通電源。


反饋繞組電壓經過VD4和C6整流濾波后出現15V的反饋電壓,一方面作為+15V輸出(未與初級隔離),另一方面還經過光敏三極管給TOp232Y的控制端供應偏壓。R4,R6和R7均為取樣電阻,用來檢測3.3V和5V輸出電壓的變化量。R2是LED的限TL431C供應偏流。C8為軟啟動電容,能消除剛接通電源時出現的電壓過沖現象??蛰d時利用TOp232Y跳過周期的特性,可以滿足pC機待機電源低功耗的指標。


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