在UPS、变频器等电力电子系统中,出于提高可靠性、隔离和不同器件所需供电电压不同等原因,往往需要多路输出的隔离电源供电解决方案,而单片开关电源以其高集成度高效率等优势已逐渐成为设计该类电源的首选[1]。本文针对某变频电源的DSP控制系统的供电需求,采用PI公司推出的第四代单片开关电源集成芯片TOPSwitch-248Y,完成三路输出的65W辅助电源设计,同时为了实现良好的控制性能,着重对闭环反馈网络进行了优化设计。

1 新型TOP Switch-GX芯片简介

1.1 TOP Switch–GX性能特点

TOP Switch-GX系列IC采用了Power Inte- grations的ECO Smart节能技术,具有出色的待机功耗指标并在所有负载条件下都能持续高效工作,可在整个负载范围内获得最佳的工作效率[2] [3]。

与第三代TOP Switch-FX相比,TOP Switch-GX不仅具备TOP Switch-FX系列的全部优点,并且还将最大输出功率从75W扩展到了250W,适宜构成大、中功率的高效率、隔离式开关电源;将开关频率提高到了132kHz,进而有助于减小高频变压器及整个开关电源的体积;当开关电源的负载很轻时,该芯片能自动将开关频率从132kHz降到30kHz(半频模式下则由66kHz降至15kHz),降低了开关损耗,进一步提高电源效率;采用了ECO Smart的节能新技术,显著降低了在远程通/断模式下芯片的功耗,当输入交流电压为230V时,芯片功耗仅为160mW。

1.2 TOP Switch–GX工作原理

TOP Switch-GX芯片有6个引出端,分别是控制端C、线路检测端L、极限电流设定端X、源极S、开关频率选择端F和漏极D。利用L端可以实现5种功能:过电压(OV)保护;欠电压保护(UV);电压前馈;远程通/断和同步。利用X端可以从外部设定芯片的极限电流。而利用F端可以设定芯片工作方式:全频方式(132kHz)和半频方式(66kHz)。芯片内部主要由控制电压源、带基准电压源、频率抖动振荡器、并联调整器/差分放大电路、脉宽调制器、过流保护电路等18个部分组成, TOP Switch-GX的工作原理是利用反馈电流来调节占空比D,达到稳压的目的。当输出电压Uo发生变化时,通过取样电阻后,就可使TL431的输出电压产生相应的变化,进而使PC817中LED的工作电流改变,最后通过单片电源的控制管脚C电流变化量来调节占空比D,使Uo产生相反的变化,最终使Uo维持不变。

2 反激式开关电源设计

2.1 芯片选择

电源设计最大输出功率为65W,三路输出:+15V和-15V,每路输出电流为1.5A。另一路为+5V,输出电流为4A,电源的效率为87%。为了使电源可以在各种工况下稳定输出,可靠工作, 因此还需要留有一定的设计裕量(一般取20%),本次设计选择TOP248Y芯片,在较大功率时,Y封装安装简单,有利于散热。

2.2 电路原理图

电源电路如图1所示,电源采用单端反激式拓扑结构,当电源输入交流220V±10%时,交流电经过软启动电阻,电磁干扰(EMI)滤波器(C1和L1)和输入整流滤波器得到高压直流电。

2.3 高频(CCM模式)反激变压器设计

变压器的主要功能是功率传送、电压变换、电气隔离,变压器的参数对开关电源性能影响很大,因此高频变压器的设计在研制单片开关电源时显得极为重要,以下介绍相关参数的设计。

设计指标:为了增大电源的变化效率,设计变压器工作在电流连续模式(CCM)下,输入直流250～360V,最大占空比50%,±15V、+5V三路输出。本次设计采用面积乘积(AP)法来进行高频变压器设计。

(1)变压器磁芯选择

根据AP法:

式中Aw:磁芯窗口面积cm2;Ae:磁芯截面积cm2;f:工作频率Hz;Bm:工作磁感应强度,取Bm=0.16T;J:电流密度,取J=5A/mm2;Ku:窗口利用系数,取Ku=0.4;Ki:磁芯间隙系数,取Ki=1。

选EI40铁氧体磁芯

Ae=1.27cm2, Aw=1.73cm2

Ae×Aw=1.27×1.73=2.2cm4>0.96cm4,因此满足设计要求。

(2)初级匝数计算

初级峰值电流:

初级电感量:

取Np=47匝。

(3)次级匝数计算

在反激变换器中,副边反射电压即反激电压Uor与输入电压之和,不能高于主开关管的耐压,同时还应留有一定的裕量,通过计算,此处Uor取130V。原副边匝数比为

对于+5V输出,考虑到整流二极管的管压降和线路压降,Uo1=5+1=6V,故匝,实际取Ns1=3匝;对于±15V，Uo2=15+3=18V，故匝,实际取Ns2=7匝。

(4)气隙计算

为了避免磁芯饱和,应该在磁回路中加入一个适当的气隙Lg,其值由下式计算

取Lg=0.6mm。

至此,变压器的主要参数已经确定,之后还需核算磁芯窗口面积是否够大,变压器的温升及损耗是否满足要求。

2.4 TOP248Y外围电路设计

该电路采用由TL431A型可调式精密并联稳压管和PC817A型线性光耦合构成精密反馈电路,R2和R3用来从外部设定功率开关管的漏极极限电流,当然输入直流电压过电压时,R2和R3还能自动降低最大占空比Dmax,对最大负载功率加以限制。R1为欠电压和过电压检测电阻,并能对线路提供电压前馈,以减小开关频率的波动。

VD1、VZ和C4构成漏极钳位电路,吸收单片开关电源关断时产生的尖峰电压,保护器件不受损坏。VZ选用钳位电压为200V的P6KE200型瞬态电压抑制器,VD1采用UF4006型超快恢复二极管。将C4和VZ并联,减小钳位损耗[5]。

整流二极管的选择:

输出整流滤波电路中,输出整流二极管的开关损耗一般会占到系统损耗的1/6到1/5,是影响开关电源效率的主要因素。肖特基二极管反向恢复时间极短,可小到几纳秒,正向导通压降仅为0.4V左右。这些优良的特性使得它很适合作单片开关电源中的低压输出整流管。

所选二极管必须满足以下条件:

URM≥2UBR (7)

Id≥3IOM (8)

因此通过计算,本次设计中各路输出整流管都采用MBR20100肖特基二极管。高频变压器次级输出电压分别经肖特基二极管VD2～VD4整流和电解电容C6～C12滤波,再通过LC滤波,滤除开关噪声,获得稳定的直流输出电压。

2.5 双极点补偿反馈网络的设计

反馈控制电路的设计目的是使开关电源在各种工况下稳定工作,并且要达到稳态和动态性能设计要求,因此控制电路设计的核心是电压或电流反馈控制系统的设计[4]。系统控制框图如图2所示。

由此图可以得出校正前系统的开环传递函数:

G(s)=Ge(s)Gc(s)Go(s)H(s) (9)

其中,Ge(s)为调节器的等效传递函数,Gc(s)为PWM环节等效传递函数,Go(s)为变换器的等效传递函数,H(s)为反馈环节传递函数。

单端反激式变换器实际上是带变压器隔离型的buck-boost电路,等效电路模型如图3所示。根据状态空间平均法可推导出基于峰值电流控制的反激式变换器的小信号数学模型,通过数学推导可知模型中不含ESR零点,在电流连续(CCM)情况下右半平面带有一个零点的一阶函数。

其中S1、S2的逻辑状态为,当开关打开时S1=S2=0,当开关闭合时S1=S2=1。而且S1和S2不能同时为1。

(10)

得到GO传递函数如下:

(11)

上式中,Uo(s)为输出变量,Ue(s)为电压反馈量的误差信号;D为占空比:K=(1-N2/RL);L为变压器原边电感;RL为负载电阻。其中对于多路输出的负载RL,是指控制输出端的等效负载。在此将其它各路的输出负载都等效到5V反馈输出上得到:

RL=R5V//R15V(N5V/N15V)2//R-15V(N5V/N-15V)2

=U5V2/Po (12)

假设光耦传输系数CTR=100%，带入相关参数得:

(13)

由MATALAB仿真得出校正前系统幅频、相频特性如图4所示。

调节器部分是以TL43l和线性光耦PC817为主要器件而构成补偿网络。通常电压调节器都是采用单极点补偿的PI调节器,由于实际滤波电路中的输出电容的串联等效电阻较大,由此产生的零点会使系统的高频衰减不够,使得输出电压纹波较大。因此本次设计采用如图5所示的补偿网络,在高频增加一个极点以进一步降低输出电压纹波,改善电路的瞬态响应。

其传递函数为

(14)

一般C14<

(15)

其中RM=R6// R9// R10

上式中有一个零点和两个极点,其中的一个极点在原点处,它们分别为:

由于TOP Switch-GX系列的开关频率是132kHz,一般截至频率fC取开关频率的1/5～1/10,在此取1/10,为13.2kHz。

由校正前被控系统的Bode(图4)可以看出,要使校正后系统的截止频率为13.2kHz,那么补偿网络的增益为35.5dB,即20log(R7/RM)=35.5dB取RM=10kΩ,则R7=56kΩ。

另外，根据公式

又同时在补偿极点的设计时要考虑的右半平面零点的频率,并且综合考虑相位裕量和稳定带宽的关系,最终选取调节器的参数如下:

C15=13nF, C14=578pF

校正后系统幅频、相频特性如图6所示。

通过Bode图分析可以看出,通过调节R5的值,可以使系统得到较大的增益,通过设计双极点补偿反馈网络使得系统能以-20dB/dec的斜率穿越零分贝线,提高了系统的稳定性,并且在穿越频率处保证了足够大的相位裕度,从图上可以看出校正后系统的相位裕度为93°,所以设计的双极点补偿反馈网络是成功的,能够保证所设计的开关电源稳定工作并且具有良好的动态响应。

3 电源实验测试结果

输出各路带额定负载时电源主要输出波形如图7所示。

据实验测试结果表明,在额定负载情况下,电源转换效率达到87%,输出电压纹波在误差允许的范围内,符合设计要求。

4 结束语

本文针对DSP控制系统的供电需求,采用PI公司的第四代单片开关电源芯片(TOP Switch-248Y)设计了三路输出DSP专用辅助电源。通过建模和动态分析,设计了新型的补偿网络,实验表明该电源在抗干扰能力、电能转换效率,稳态性能和动态响应等方面都有了明显的提高,输出电压纹波也得到了显著的改善。该电源在实际工业现场长时间可靠稳定运行,达到了设计要求。