基于TOP247Y的电机伺服系统用多路开关电源设计

李 君，曾岳南

（广东工业大学自动化学院，广东 广州510006）

0 引 言

本文介绍了一种多路输出的单端反激式开关电源的设计方法，该电源主要是为功率开关器件的驱动电路以及系统控制板提供稳定可靠的电压。所设计的开关电源由美国公司（Power Integration Inc）开发的TOP Switch－GX系列新型智能高频开关电源集成芯片及其外围电路构成。采用PWM控制实现DC／DC变换，通过调节占空比来保证输出电压的稳定。

1 TOPSwitch－GX系列的性能特点

TOPSwitch－GX系列芯片是Power Integrations公司在第三代单片开关电源TOPSwitch－FX的基础上推出的第四代开关电源芯片。与TOPSwitch－FX相比，TOPSwitch－GX系列产品有如下优点：① 输出功率扩展到290 W；②新增加了线路检测端（L）和从外部设定极限电流端（X）这两个引脚，用来代替TOPSwitch－FX的多功能端（M）的全部控制功能，使用更加灵活、方便；③ 更宽的占空比，使得输出功率更大、输入电容器更小；④Y／R／F型封装有分开的线路检测端与电流限制端；⑤ 线路前馈缩小了最大占空比DMAX，以抑制脉动纹波，并在电网电压较高时限制DMAX；⑥ 最大工作频率提高到132 k Hz，减少了变压器和电源的尺寸；⑦ 当开关电源的负载很轻时，能自动将开关频率从132 k Hz降低到30 k Hz（半频模式下则由66 k Hz降至15 k Hz），可降低开关损耗，进一步提高电源效率；⑧ 采用较先进的节能的EcoSmart集成电路技术，显著降低了功耗，在110 V AC时为80 m W，在230 V AC时为160 m W。

2 开关电源设计

2.1 设计参数

交流输入电压最小值umin＝85 V，交流输入电压最大值umax＝265 V，电网频率f＝50 Hz，控制芯片开关频率f＝132 k Hz，输出电压、电流U01＝U02＝U03＝U04＝15 V提供四路独立电源为功率器件提供驱动电压，U05＝15 V、U06＝－15 V、U07＝5 V为驱动板及控制板芯片提供供电电压。I01＝I02＝I03＝0.3 A，I04＝0.5 A，I05＝I06＝0.5 A，I07＝2 A，输出功率P：P01＝P02＝P03＝4.5 W ，P04＝P05＝ P06＝7.5 W，P07＝10 W，POUT＝4.5×3＋7.5×3＋10＝46 W，电源效率η＝80%。

2.2 计算直流侧最小最大输入电压

滤波电容的CIN值可根据输出功率按照3μF／W来取值，取CIN＝3×46μF＝138μF。再考虑余量后，取CIN＝150μF。令整流桥的响应时间tc＝3 ms，直流输入电压最大值UImax，最小值UImin可由下式计算得：

2.3 根据U Imin和U OR来确定最大占空比D max

2.4 计算初级峰值电流

IAVG＝0.625 A，初级峰值电流IP：

2.5 确定TOPSwitch－GX芯片型号

由前面计算数据，根据 TOP240－250资料：TOP246Y／R／F（TJ＝25℃）时，ILIMIT＝2.511 A，所以可选TOP246以上型号，本文选择TOP247Y。

3 高频变压器设计

反激式变换器的特点是当主功率开关管导通时变压器原边电感储存能量，负载的能量从输出电路的滤波电容处得到；而当关断时，变压器原边电感的能量将会传送到副边负载和它的滤波电容处，以补偿滤波电容在开关导通状态下消耗的能量。具体设计如下：

3.1 计算高频变压器初级电感量L P

3.2 计算总的视在功率P T

设肖特基二极管压降UDF＝0.4 V，变压器效率为0.8，则：

3.3 计算AP值，选择铁芯

设K0＝0.4，窗口使用系数 Kf＝4.0（方波）波形系数，正弦时为4.44，方波为4。工作磁通密度BW＝0.1 T。叠片铁心允许温升25℃时计算得：

加10%裕度：AP×1.1＝0.1175 c m4。选择 EI28（PC40）铁芯。

3.4 计算原边绕组匝数

取U1＝UOR＝135 V

3.5 计算原边电流密度

3.6 计算原边绕组裸线面积

查表A WG规格选用电缆型号A WG#21 A＊XP＝0.4837 mm2直径DP＝0.785 mm。

3.7 计算副边绕组匝数

取整流二极管压降为0.7 V，副边绕组压降为0.6 V，78L15和79L15输入为18 V，保证稳定的15 V输出。

3.8 副边裸线面积

查表（表1）A WG规格选用电缆型号A WG#29，

查表A WG规格选用电缆型号A WG#27，

查表A WG规格选用电缆型号A WG#22，

表1 原副边绕组电缆型号

图1 TOP247多路输出开关电源原理图

4 开关电源外围电路设计

图1为所设计的TOP247多路输出开关电源原理图。

4.1 输入、输出滤波电路的设计

图2 输入滤波器设计

如图2所示，输入整流滤波电路包括交流滤波、整流部分和整流滤波电容。交流滤波采用技术成熟的∏型滤波电路。具体参数如下：去除差模干扰的C8、C9为0.47μF／250 V；去除共模干扰的 C10、C11为4.7 n F；滤波线圈L1为6.75 m H，采取双线并绕。整流电路选择不可控的600 V／3 A整流桥。滤波电容为C ＝150μF／400 V。

4.2 输出整流滤波电路设计

输出整流滤波电路由整流二极管、滤波电容构成和三端电源稳压芯片（78L05、78L15、79L15）组成。由于肖特基二极管反向恢复时间短，在降低反向恢复损耗以及消除输出电压中的纹波方面有明显的性能优势，所以输出整流二极管选用肖特基二极管MBR20200（MBR20100）。对输出滤波电容，ESR（等效串联阻抗）和纹波电流是它的两个重要参数。当电容两端电压小于35 V时，ESR只与电容的体积有关。本设计选择细高型的470μF／25 V低ESR电容。对于要求较高的5 V路输出，为保证输出质量采用1 000μF／16 V的低ESR电容，并且采用33μH的穿心电感作为滤波电感。

4.3 反馈控制电路的设计

本设计采用可调式精密并联稳压器TL431加线性光耦PC817 A构成反馈回路，可使电压调整率达到±0.1%。电路利用输出电压与TL431构成的误差比较器，通过光耦PC817 A线性关系的电流变化控制TOPS－witch的IC，从而改变PWM脉冲宽度，达到稳定输出电压的目的。流入TOPSwitch控制脚C的电流IC与占空比D成反比关系，如图3所示。经计算选取R7、R11取10 kΩ，R4取150Ω，R6取1.5 kΩ。

图3 反馈控制电路原理图

5 实验结果与分析

交流侧输入电压为220 V时，测得该电源输出电压波形如图3、图4所示。

图4 ＋5 V电压波形

图5±15V电压波形

图4 为U07的波形，图5中＋15 V波形为U01、U02、U03、U04、U05中任何一路空载时波形，－15 V为U06空载波形。从波形可以看出输出电压稳定，纹波系数小，达到了设计要求。

6 结束语

本文设计了一种基于TOPSwitch－GX的电机伺服系统用多路单端反激式开关电源；介绍了TOPSwitch－GX系列芯片的特点、开关电源辅助电路设计依据；设计了给系统控制板以及功率器件驱动电路提供5路＋15 V、1路－15 V、1路＋5 V的独立电源，输出功率达到46 W；着重分析了高频变压器的设计，给出了详细的设计步骤；设计了基于TL431和光耦PC817的反馈补偿网络保证输出电压的稳定性。

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