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犟拎HI用里端反激式S篇FT天穩壓電湄的設計

作者:admin來源:本網 日期:2017-11-15 15:52:00 人氣: 標簽:

  電源是電子設備必不可少的組成部分,但對不同的系統會有不同的要求。通常,對基于放大器的模擬控制系統,采用線性電源比較好;但對于單片機數字控制的電路系統,采用基于PWM控制的開關電源則更具有優勢。隨著電力電子功率變換技術的不斷進步和完善,PWM控制的開關電源以其極高的性價比獲得了廣泛的應用。尤其是近幾年來,單片開關電源控制芯片獲得了長足的發展,如TOPSWITCH系列單片電源芯片已將自啟動電路、功率MOSFET、PWM控制電路以及保護電路集成在一起,再通過小型高頻變壓器便可使輸出電壓與電網輸人完全隔離,不僅提高了電源的效率,簡化了外圍電路;而且降低了電源成本和體積,增強了電源的可靠性。:2004-09-09瑞卿(1963-),男,教授,研究方向為電機及其控制技術、電力電子變換技術。

  在采用單片機控制270V供電的飛機高壓直流無刷電機系統中,需要將270V高壓直流電變換成+5V,+15V雙路輸出的直流控制電源,分別給系統中的單片機和與之隔離的功率驅動電路提供不同等級的直流電壓,其中+5V單片機電源要求電壓穩定、紋波小、不間斷、性能可靠。由于受到體積限制,這兩路電源變換應盡可能結構簡單、輸人電壓范圍寬、可靠實用,同時滿足較好的隔離性(若采用270V直接變換的DC-DC電源變換模塊,則其電源部分不僅成本高,而且增加了整個控制系統的體積)。

  為此,本文根據單端反激式開關電源原理,選擇了TOP224Y單片電源控制芯片作為核心器件,提出了一種可實用于單片機控制系統的PWM控制的開關電源,該開關電源不僅可以滿足單片機控制系統所需電壓,而且電路簡單、可靠,穩壓性能好,開關電源部分所用器件少,使整個控制系統的體積較小。

  由于單片機對其供電電源品質有一定要求,目前該方面的相關研究資料比較少。本文的研究將力圖在這方向作些嘗試。

  1電路設計為采用TOP224Y芯片構建的單端反激式隔離開關穩壓電源設計原理圖。輸入為270V高壓直流電,輸出雙路電壓分別為+ 5V,+15V直流電,+5V,+15V輸出功率均為5W.由于TOP224Y的高度集成性,設計工作主要圍繞其外部電路進行,同時結合單片機用電特點對其輸出電壓品質進行分析。根據TOP224Y芯片的工作原理,其外圍電路可分為漏極保持電路、變壓器、輸出整流濾波電路以及反饋電路四部分,下面將分別進行原理和功能分析。

  單端反激式隔離開關穩壓電源原理。1漏極保護電路當主功率MOSFET管UI由導通變成截止時,在高頻變壓器T的初級繞組L1上會產生尖峰電壓和感應電壓,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電壓疊加后很容易損壞主功率管。為此,必須設計漏極保護電路,對尖峰電壓進行鉗位或吸收。

  VD1和VD2構成的鉗位電路可防止高電壓對TOP224Y的損壞。其中VD1采用反向擊穿電壓為200V的TVS(瞬態電壓抑制器),VD2采用反向耐壓為600V的超快恢復二極管。

  1.2變壓器設計高頻變壓器的繞制是開關電源中比較關鍵的部分,關于高頻變壓器有關參數的計算及繞制方法,相關資料很多,介紹的也很詳細,在這里就不作為重點介紹,只給出幾個與實際繞制有關的參數,包括變壓器鐵芯類型、初級電感量LP、變壓器初、次級繞組匝數、鐵芯氣隙大小、以及繞組導線線徑等參數。

  鐵芯材料的選擇直接影響單片開關電源的總體性能。根據TOP224芯片100kHz的工作頻率選用錳鋅鐵氧體,根據輸出的功率,鐵芯的外形選用EE22.要計算Lp,首先要計算出輸人電流的平均值八和初級峰值電流/P,計算公式如下八v其中:尸。為輸出的總功率,約為lW;7為變壓器效率,取為80%;XP為初級紋波電流與初級峰值電流的比值,取為。8;為最大占空比,為37%;/為開關頻率,100kHZ;Z為損耗分配系數,0對于固定輸入,選擇次級繞組為0.6V/匝,輸出電壓V.為5V,可得次級繞組匝數各:FP1為初級感應電壓,取135V;Vfb為反饋電壓,取為15V.首先做出兩點假設:①由于鐵芯開氣隙后剩磁盡減小很多,認為盡=0;②由于氣隙磁阻遠大于磁路其他部分磁阻,認為磁勢全部降于氣隙處。

  氣隙長度;為最大磁感應強度。

  選擇最大磁感應強度盡n后,可求得氣隙長度。氣隙長度的選取不宜過長,過長的氣隙會導致主磁路磁阻增大,磁力線通過漏磁路閉合,增加漏感和電磁干擾導線的線徑與流過導線的電流有關。本設計采用線徑為31mm的漆包線。

  次級繞組電流有效值/反1.3輸出整流濾波電路設計輸出整流濾波電路直接關系到輸出電壓紋波大小,影響單片機提供的+5V的電壓的性能。該部分電路由整流二極管1)1和濾波電路C1,L4,C5的構成。

  開關電源輸出端的紋波幅值主要由以下四個方面決定:輸人電源噪聲。主要是270V輸人電源中本身包含的交流噪聲。

  高頻噪聲。開關電源是依靠功率開關管對直流輸人電壓進行高頻斬波,然后經過變壓器傳輸、整流濾波再實現穩壓輸出的,在其輸出端必然含有與斬波頻率相同的高頻噪聲,其大小主要與開關電源的斬波頻率及輸出濾波器的結構和參數有關。

  寄生參數引起的共模噪聲。由于功率器件和變壓器的原副邊之間存在寄生電容,導線間存在寄生電感,當矩形波電壓作用于功率電路時,輸出端將產生共模噪聲。

  功率器件開關過程中引起的超高頻噪聲。由于整流二極管存在反向恢復時間,在正偏到反偏的過程中,反偏的二極管存在寄生電容不能立刻停止,表現出電容特性。該等效電容與導線的寄生電感一起產生超高頻震蕩,經LC濾波器衰減,在輸出端表現出超高頻噪聲。

  為了減小上述幾方面因素產生的紋波,主要采用T以F的措施:對于交流噪聲,采用在輸人端接濾波電容t中C),進行濾波整流管采用肖特基二極管(中D1)?;谒蛪?、低功耗、大電流的特點,有利于提高電源效率,其反向恢復時間短(<10ns),則有利于減少高頻噪聲。整流管實際承受的最大反向峰值電壓李京民,王柏盛。開關電源中變壓器的設計。河北煤炭建筑工程學院學報,1995,(2),由于采用了多項措施減小紋波,從輸出電壓的波形圖可以看出,紋波也比較小,能夠滿足單片機的供電(上接第23頁)同時又使轉換器不產生失調,另外設計了由LS123,LS173和8255組成的電路,把存于LS173的數據送入8255的PA,PB口,再送人422板上的單片機系統。

  4422板設計422板是進行所有數據綜合和處理的中樞,與相機系統的操縱器、CPU通過RS-422總線接口進行數據處理和數據通訊,它采用差動接收、差動發送工作方式,通過四差分線驅動器MC3487(SN75174)及四差分線接收器MC3486(SN75175)來實現。422板按照程序接收來自429板、407板發來的導航數據和操縱器發來的指令,經過整理、排序后,向相機系統的CPU發送,同時收集CPU的相機狀態數據,并返回到操縱器要求。

  實驗說明,該單端反激式隔離開關電源的電壓調整率、輸出電阻和紋波低,系統安全可靠,成本低廉,對單片機控制系統具有優良的供電特性。

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