双冷源除湿机用驱动控制电源分析与设计*

陈万兴，高 杰，唐海洋

(珠海格力电器股份有限公司，广东 珠海 519070)

0 引言

目前开关电源在电子工业领域应用较广，在小型化、集成化发展的今天，高精度开关电源已成为工业技术领域发展的必然趋势。反激式开关电源价格便宜，设计简单，体积小，电压调节范围宽，可满足多种电源设计需求[1]。但常规开关电源精度低、纹波大、杂波渗透较率高，输出端口少，难以满足精密设备电源需求，设备因干扰而失控的情况多不胜数。

针对双冷源除湿机驱动板供电精度要求较高，输入电源要求较多的情况，采用TOP264 芯片设计一款AC/DC-DC 的双模式输入、多路输出的开关电源，用于给双冷源除湿机产品供电。电源需要满足结构简单、体积小，占空比可跟随输入信号发生变化，使输出电压保持稳定，同时可使系统均衡输出，能根据使用环境要求调整适用范围，为各路负载提供准确可靠的电源。

1 原理与设计

反激式开关电源是指当直流电为变压器供电时，将能量存储在变压器的初级绕组内，当直流电关断时，才将能量传递到次级，从而为负载供电，相比于正激式开关电源少了一个大的储能滤波电感和续流二极管，因此价格和体积占优[2]。此次所设计的开关电源原理图如图1 所示。AC 220 V 经过整流滤波得到311 V 直流电，预留直流供电端口PWR1 方便不同的输入电源需求。直流电经过变压器后为TOP264 芯片供电。变压器副边经过整流、滤波得到18 V、15 V、8 V、28 V 四路直流电压。对18 V 输出电压进行采样，经过TL431、光耦，为TOP264芯片提供反馈信号，通过控制电源芯片集成MOS 管的开通与关断，使电源稳定工作[3]。

图1 驱动控制电源原理图

2 关键元器件选型

2.1 整流桥选型

电源输出功率P0设为20 W，则整流桥的耐流值为：

式中，电源效率η 取值0.75，电流过载安全系数α 取值5，最小输入电压Vinmin取值100 V[4]。

整流桥耐压为：

式中，最大输入电压Vinmax取值265 V。

因此整流桥选择800 V 1.5 A，满足要求。

2.2 电解电容

母线电容CDCmin关系到输出电压是否稳定。CDCmin取值过低，直流脉动电压将会升高，影响电源的输出精度及电子元件寿命。CDCmin取值过高，电容价格将会成倍增长，且电压脉动效果也不能得到改善，因此应结合实际选择合适的母线电容[5]：

式中，VDCmin为整流滤波后的最低输出电压101V；fL为输入电源频率50Hz，π 为180°，因此充电时间为[6]：

整流桥最大输出电压为[7]：

有效值电流为：

式中，假设Dmax为50%。

因此母线电容选择47 μF 450 V 电解电容，满足要求。

2.3 RCD 吸收回路

当MOS 管关断时，变压器漏感阻止能量消失，产生尖峰电压，它与最大直流电压VDCmax以及副边反射电压一起作用于MOS 管，电压过高容易导致MOS 管击穿损坏，因此增加RCD 电路将这部分能量吸收并消耗掉[8]。

变压器1、3 引脚的匝数为63 T(主绕组)，11、12 引脚为17 T(输出28 V)，7、9 引脚为11 T(输出18 V)，7、10引脚为9 T(输出15 V)，7、8 引脚为5 T(输出8 V)，即63:17:11:9:5。

则反射电压为：

式中，Dmax为实际最大占空比[9]。

最大占空比Dmax验证：

将20 W 输出功率全部等效到18 V 输出电路上，则负载总电流为[11]：

副边反射电流为：

输入功率为：

平均输入电流为：

因Iin/D 为原边平均电流，且必然等于副边平均电流，即：

Dmax与近似相等，因此计算正确。

电源芯片峰值电压预留10%的裕量，则芯片内置MOSFET 所允许的箝位电压为[12]：

式中，Vchipmax为芯片漏极峰值电压725 V 。

初级线圈峰值电流为：

式中，KP为电流纹波系数，取值0.5。

则电阻R 取值为[13]：

式中，Le为变压器漏感，取值22 μH；f 为芯片工作频率，取值132 kHz。

箝位电容C 的作用是将漏感能量吸收掉，脉动电压按钳位电压的7%处理，则：

芯片MOS 管所允许的总电压为：

二极管的反向耐压值需要大于1.5 倍的V′chipclamp，即：

变压器的漏感尖峰电压为：

二极管的反向耐压应大于RCD 处电压叠加值的10%，即：

变压器输入电流的平均值为：

二极管正向平均电流需要大于输入电流平均值的20%，大于变压器峰值电流的一半，即[14]：

因此，钳位电路电阻选择68 kΩ，电容选择2.2 nF，二极管选择FR107，其反向耐压为1 000 V，正向平均电流为1 A，满足要求[15]。

2.4 次级输出二极管

开关电源包含四路输出电压，分别为：28 V 0.1 A、18 V 0.5 A、15 V 0.5 A、8 V 0.1 A，则28 V 输出电路二极管的耐压值为：

18 V 输出电路二极管的耐流值为：

因为28 V 输出电路二极管的耐压值最大，18 V 输出电路二极管的耐流值最大，考虑到器件的一致性，四路输出电压均选用200 V 2 A 的快恢复二极管[16]。

3 波形测试

根据电源需求，输出电压小于+12 V 的电压纹波干扰的峰峰值应≤0.15 V，+12 V 及以上电压纹波干扰的峰峰值应≤0.3 V。

3.1 18 V 输出

实测18 V 引脚的输出电压为18.06 V，纹波为43 mV，波形如图2、图3 所示。

图2 18 V 输出电压波形图

图3 18 V 输出电压纹波图

3.2 15 V 输出

实测15 V 引脚的输出电压为15.01 V，纹波为34 mV，波形如图4、图5 所示。

图4 15 V 输出电压波形图

图5 15 V 输出电压纹波图

3.3 8 V 输出

实测8 V 引脚的输出电压为7.92 V，纹波为24 mV，波形如图6、图7 所示。

图6 8 V 输出电压波形图

图7 8 V 输出电压纹波图

3.4 28 V 输出

实测28 V 引脚的输出电压为28.06 V，纹波为58 mV，波形如图8、图9 所示。

图8 28 V 输出电压波形图

图9 28 V 输出电压纹波图

通过数据对比发现，电源误差小于1%，纹波小于100 mV。通过整机实验验证，电源可以长期稳定地运行，EMI 效果好，满足设计需求。

4 结论

经测试，所得电源实现了AC/DC 双模式输入，多路精确电压输出的功能。通过设计与计算，完成了关键元器件的选型，对电源芯片、模块功能和工作波形进行了充分的测试和分析，并进行了相关的整机工况实验，实现了电源的平滑启动和稳定运行。所得电源安全稳定、易于控制、可靠性高、成本低廉，能广泛地应用于各种设备和复杂实验工况，目前该电源已被用于双冷源除湿机的驱动控制主板供电。