單片開關模塊電源的電路設計

單片開關模塊電源的電路設計

(單片開關電源技術講座之四)

摘要：單片開關電源是國際上90年代才開始流行的新型開關電源芯片，本文闡述其電路設計方法。

關鍵詞：單片開關電源電路設計?

　　這次講座介紹由TOP224P構成的開關電源模塊。該模塊可用作儀器儀表、手機電池充電器、衛星通信解碼器的電源。

1性能特點與技術指標

(1)采用一片TOP224P型三端單片開關電源，配PC817A型光耦合器，構成帶穩壓管的光耦反饋電路，能將85V～265V交流輸入電源Ui變換成12V、1.67A的直流穩壓輸出。

　　(2)電路簡單，穩壓性能好，成本低。外圍電路僅需21個元器件。其電壓調整率和負載調整率約為±1％，電源效率可達78％。在25℃的環境溫度下，可連續輸出20W的功率。峰值輸出功率為30W。

　　(3)體積小，重量輕。TOP224P利用印刷板上的敷銅箔散熱，不需外接散熱片。

　　(4)便于對電路進行改進。只需重新設計高頻變壓器，改變匝數比和增加少量元件，即可實現多路穩壓輸出或恒流輸出。

　　該模塊的主要技術指標如下：

　　交流輸入電壓范圍：Ui=85V～265V

　　輸入電壓頻率：f=(47～440)Hz

　　輸出直流電壓：UO=12V±5％

　　最大輸出電流：IOM=1.67A

　　連續輸出功率：PO=20W(TA=25℃)，或15W(TA=50℃)

　　電壓調整率(Ui=85V～265V):SV=±1％

負載調整率（IO=0.167A～1.67A）：SI=±1％

　　效率：η=78％

圖112V、20W開關電源模塊的內部電路

圖2印制板元件布置圖

圖3模塊的外特性

(a)SV－Ui;(b)SI－IO;(c)η－Ui(PO=20W);(d)η－Ui(PO=4W)

　　輸出紋波電壓的最大值：±60mV

　　工作溫度范圍：TA=0℃～50℃。

212V、20W開關電源模塊的電路設計

該模塊的內部電路和印制板元件布置，分別如圖1、圖2所示。單面印制板的尺寸為91mm×43mm，安裝元器件后的最大高度為27mm。電路中使用兩片集成電路：三端單片開關電源TOP224P(IC1)，線性光耦合器PC817A(IC2)。交流電源經過BR和C1整流濾波后產生直流高壓U1，給高頻變壓器的初級繞組供電。VZ1和VD1能將漏感產生的尖峰電壓箝位到安全值，并能衰減振鈴電壓。VZ1采用反向擊穿電壓為200V的瞬態電壓抑制器P6KE200，VD1選用1A/600V的超快恢復二極管UF4005。次級繞組電壓通過VD2、C2、L1和C3整流濾波，獲得12V輸出電壓UO。UO值是由VZ2穩壓值、光耦中LED的正向壓降、R1上的壓降這三者之和來設定的。改變高頻變壓器的匝數比和VZ2的穩壓值，還可獲得其他輸出電壓值。R2和VZ2還為12V輸出提供一個假負載，用以提高輕載時的負載調整率。反饋繞組電壓經VD3和C4整流濾波后，供給TOP224P所需偏壓。由R2和VZ2來調節控制端電流，通過改變輸出占空比達到穩壓目的。共模扼流圈L2能減小由初級繞組接D端的高壓開關波形所產生的共模泄漏電流。C7為保護電容，用于濾掉由初、次級耦合電容引起的干擾。C6可減小由初級電流的基波與諧波所產生的差模泄漏電流。C5不僅能濾除加在控制端上的尖峰電流，而且決定了自起動頻率，它還與R1、R3一起對控制電路進行補償。

　　該開關電源模塊的SV?Ui、S1?IO、η?Ui的關系曲線如圖3所示。圖3(a)示出當IO=1.67A時，電壓調整率SV與交流輸入電壓Ui的關系。圖3(b)示出在Ui=230V時負載調整率SI與輸出電流IO的關系。圖3（c）(d)分別示出當PO=20W、4W時電源效率與交流輸入電壓Ui的關系曲線。　　在上電過程中，直流高壓UI建立之后需經過160ms(典型值）的延遲時間，輸出電壓UO才達到12V的穩定值。UO與UI的時序波形如圖4所示。延遲時間180－20=160ms。圖中假定Ui=212V，UI=Ui=300V。若需增加軟起動功能以限制開啟電源時的占空比，使UO平滑地升高，應在VZ2的兩端并聯一只軟起動電容C8(如圖1中虛線所示)。C8的容量范圍為4.7μF～47μF。當C8=4.7μF、10μF、22μF、47μF時，所對應的軟起動波形如圖5所示。上述4種情況下，軟起動時間依次為2.5ms（8.5－6ms）、2.5ms（8.5－6ms）、4ms(10－6ms)、8ms(14－6ms)。在軟起動過程中UO是按照一定的斜率升高的，能對TOP224P起到保護作用。斷電后C8可通過R2進行放電。

圖4UO與Ui的時序波形

圖5軟起動波形

圖6高頻變壓器的繞制

　　設計印制板時需專門留出一塊敷銅區，作為TOP224P的散熱板。當PO=20W時，敷銅面積S=8cm2;PO=15W,S=3.6cm2。

3高頻變壓器的繞制方法及性能測試高頻變壓器的繞制如圖6所示。NP、NS、NB分別代表初級、次級和反饋級的繞組，1～8為引出端。其中，1端接U1，2端接TOP224P的漏極D，3端接源極S(即初級與反饋級的公共地)，4端為反饋繞組電壓，第5、6兩端接返回端RTN(即輸出級的公共地)，7、8端接次級電路。高頻變壓器采用EE22型磁芯。

繞制高頻變壓器的順序及方法如下：

3.1繞制初級繞組NP

　　首先用3mm寬的聚脂絕緣膠帶在骨架上纏一層。然后把?0.25mm漆包線的始端焊在第2端，繞完一層(40匝)后加一層12.2mm寬的絕緣膠帶，再繞第2層(27匝)，合計67匝。末端接第1端。焊接前，始端與末端各套一小段?0.5mm的絕緣套管(下同)。最后在初級繞組外面纏一層12.2mm寬的絕緣膠帶，作為初級與反饋級的絕緣層。

3.2繞制反饋繞組NB

　　首先把雙股?0.25mm漆包線的始端焊接在第4端上，然后用雙股并繞的方法繞8匝。因匝數少，要求均勻繞制，占滿骨架，以增加磁場耦合程度、減少漏感。最后把末端焊在3端上。為提高絕緣性，在反饋繞組外面再纏三層12.2mm寬的絕緣膠帶，作為反饋級與次級的絕緣層。

3.3繞制次級繞組NS

　　首先用3mm寬的絕緣膠帶纏好安全邊距，然后以第7、8端為始端，用?0.55mm漆包線雙股并繞8匝(均勻繞制并占滿骨架)，終止于第5、6端。最后纏上三層12.2絕緣膠帶，作為最外層的絕緣材料。

3.4裝置與浸漆

　　將兩個E形磁芯插入已繞好線的骨架，進行打包后再浸入清漆，經烘干后即可使用。

3.5電氣性能測試

　　(1)耐壓性能測試。在高頻變壓器的1?8端，4?5端之間分別加上2000V、50Hz的高壓電，持續時間為1min，不得發生擊穿現象。

　　(2)測試初級電感量。將次級繞組和反饋繞組開路，用數字電感表測量1?2端的電感量Lp應為650μH±10％。

　　(3)測量初級漏感量。將次級繞組短路，用數字電感表測量1?2端之間的漏感量Lp0應不大于35μH。