在UPS、變頻器等電力電子系統中,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,而單片開關電源以其高集成度高效率等優勢已逐漸成為設計該類電源的首選[1]。本文針對某變頻電源的DSP控制系統的供電需求,采用PI公司推出的第四代單片開關電源集成芯片TOPSwitch-248Y,完成三路輸出的65W輔助電源設計,同時為了實現良好的控制性能,著重對閉環反饋網絡進行了優化設計。
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節能技術,具有出色的待機功耗指標并在所有負載條件下都能持續高效工作,可在整個負載范圍內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系列的全部優點,并且還將最大輸出功率從75W擴展到了250W,適宜構成大、中功率的高效率、隔離式開關電源;將開關頻率提高到了132kHz,進而有助于減小高頻變壓器及整個開關電源的體積;當開關電源的負載很輕時,該芯片能自動將開關頻率從132kHz降到30kHz(半頻模式下則由66kHz降至15kHz),降低了開關損耗,進一步提高電源效率;采用了ECO Smart的節能新技術,顯著降低了在遠程通/斷模式下芯片的功耗,當輸入交流電壓為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、極限電流設定端X、源極S、開關頻率選擇端F和漏極D。利用L端可以實現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端可以從外部設定芯片的極限電流。而利用F端可以設定芯片工作方式:全頻方式(132kHz)和半頻方式(66kHz)。芯片內部主要由控制電壓源、帶基準電壓源、頻率抖動振蕩器、并聯調整器/差分放大電路、脈寬調制器、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節占空比D,達到穩壓的目的。當輸出電壓Uo發生變化時,通過取樣電阻后,就可使TL431的輸出電壓產生相應的變化,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電流變化量來調節占空比D,使Uo產生相反的變化,最終使Uo維持不變。
2 反激式開關電源設計
2.1 芯片選擇
電源設計最大輸出功率為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定輸出,可靠工作, 因此還需要留有一定的設計裕量(一般取20%),本次設計選擇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構,當電源輸入交流220V±10%時,交流電經過軟啟動電阻,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,變壓器的參數對開關電源性能影響很大,因此高頻變壓器的設計在研制單片開關電源時顯得極為重要,以下介紹相關參數的設計。
設計指標:為了增大電源的變化效率,設計變壓器工作在電流連續模式(CCM)下,輸入直流250～360V,最大占空比50%,±15V、+5V三路輸出。本次設計采用面積乘積(AP)法來進行高頻變壓器設計。
(1)變壓器磁芯選擇
根據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:工作磁感應強度,取Bm=0.16T;J:電流密度,取J=5A/mm2;Ku:窗口利用系數,取Ku=0.4;Ki:磁芯間隙系數,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,因此滿足設計要求。
(2)初級匝數計算
初級峰值電流:
初級電感量:
取Np=47匝。
(3)次級匝數計算
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,不能高于主開關管的耐壓,同時還應留有一定的裕量,通過計算,此處Uor取130V。原副邊匝數比為
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,應該在磁回路中加入一個適當的氣隙Lg,其值由下式計算
取Lg=0.6mm。
至此,變壓器的主要參數已經確定,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外圍電路設計
該電路采用由TL431A型可調式精密并聯穩壓管和PC817A型線性光耦合構成精密反饋電路,R2和R3用來從外部設定功率開關管的漏極極限電流,當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,以減小開關頻率的波動。
VD1、VZ和C4構成漏極鉗位電路,吸收單片開關電源關斷時產生的尖峰電壓,保護器件不受損壞。VZ選用鉗位電壓為200V的P6KE200型瞬態電壓抑制器,VD1采用UF4006型超快恢復二極管。將C4和VZ并聯,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損耗一般會占到系統損耗的1/6到1/5,是影響開關電源效率的主要因素。肖特基二極管反向恢復時間極短,可小到幾納秒,正向導通壓降僅為0.4V左右。這些優良的特性使得它很適合作單片開關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,濾除開關噪聲,獲得穩定的直流輸出電壓。
2.5 雙極點補償反饋網絡的設計
反饋控制電路的設計目的是使開關電源在各種工況下穩定工作,并且要達到穩態和動態性能設計要求,因此控制電路設計的核心是電壓或電流反饋控制系統的設計[4]。系統控制框圖如圖2所示。
由此圖可以得出校正前系統的開環傳遞函數:
G(s)=Ge(s)Gc(s)Go(s)H(s) (9)
其中,Ge(s)為調節器的等效傳遞函數,Gc(s)為PWM環節等效傳遞函數,Go(s)為變換器的等效傳遞函數,H(s)為反饋環節傳遞函數。
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。根據狀態空間平均法可推導出基于峰值電流控制的反激式變換器的小信號數學模型,通過數學推導可知模型中不含ESR零點,在電流連續(CCM)情況下右半平面帶有一個零點的一階函數。
其中S1、S2的邏輯狀態為,當開關打開時S1=S2=0,當開關閉合時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)
假設光耦傳輸系數CTR=100%，帶入相關參數得:
(13)
由MATALAB仿真得出校正前系統幅頻、相頻特性如圖4所示。
調節器部分是以TL43l和線性光耦PC817為主要器件而構成補償網絡。通常電壓調節器都是采用單極點補償的PI調節器,由于實際濾波電路中的輸出電容的串聯等效電阻較大,由此產生的零點會使系統的高頻衰減不夠,使得輸出電壓紋波較大。因此本次設計采用如圖5所示的補償網絡,在高頻增加一個極點以進一步降低輸出電壓紋波,改善電路的瞬態響應。
其傳遞函數為
(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系列的開關頻率是132kHz,一般截至頻率fC取開關頻率的1/5～1/10,在此取1/10,為13.2kHz。
由校正前被控系統的Bode(圖4)可以看出,要使校正后系統的截止頻率為13.2kHz,那么補償網絡的增益為35.5dB,即20log(R7/RM)=35.5dB取RM=10kΩ,則R7=56kΩ。
另外，根據公式
又同時在補償極點的設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定帶寬的關系,最終選取調節器的參數如下:
C15=13nF, C14=578pF
校正后系統幅頻、相頻特性如圖6所示。
通過Bode圖分析可以看出,通過調節R5的值,可以使系統得到較大的增益,通過設計雙極點補償反饋網絡使得系統能以-20dB/dec的斜率穿越零分貝線,提高了系統的穩定性,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的相位裕度為93°,所以設計的雙極點補償反饋網絡是成功的,能夠保證所設計的開關電源穩定工作并且具有良好的動態響應。
3 電源實驗測試結果
輸出各路帶額定負載時電源主要輸出波形如圖7所示。
據實驗測試結果表明,在額定負載情況下,電源轉換效率達到87%,輸出電壓紋波在誤差允許的范圍內,符合設計要求。
4 結束語
本文針對DSP控制系統的供電需求,采用PI公司的第四代單片開關電源芯片(TOP Switch-248Y)設計了三路輸出DSP專用輔助電源。通過建模和動態分析,設計了新型的補償網絡,實驗表明該電源在抗干擾能力、電能轉換效率,穩態性能和動態響應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。該電源在實際工業現場長時間可靠穩定運行,達到了設計要求。