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犟拎HI用里端反激式S篇FT天稳压电湄的设计

作者:admin来源:本网 日期:2017/11/15 15:55:22 人气: 标签:

  电源是电子设备必不可少的组成部分,但对不同的系统会有不同的要求。通常,对基于放大器的模拟控制系统,采用线性电源比较好;但对于单片机数字控制的电路系统,采用基于PWM控制的开关电源则更具有优势。随着电力电子功率变换技术的不断进步和完善,PWM控制的开关电源以其极高的性价比获得了广泛的应用。尤其是近几年来,单片开关电源控制芯片获得了长足的发展,如TOPSWITCH系列单片电源芯片已将自启动电路、功率MOSFET、PWM控制电路以及保护电路集成在一起,再通过小型高频变压器便可使输出电压与电网输人完全隔离,不仅提高了电源的效率,简化了外围电路;而且降低了电源成本和体积,增强了电源的可靠性。:2004-09-09瑞卿(1963-),男,教授,研究方向为电机及其控制技术、电力电子变换技术。

  在采用单片机控制270V供电的飞机高压直流无刷电机系统中,需要将270V高压直流电变换成+5V,+15V双路输出的直流控制电源,分别给系统中的单片机和与之隔离的功率驱动电路提供不同等级的直流电压,其中+5V单片机电源要求电压稳定、纹波小、不间断、性能可靠。由于受到体积限制,这两路电源变换应尽可能结构简单、输人电压范围宽、可靠实用,同时满足较好的隔离性(若采用270V直接变换的DC-DC电源变换模块,则其电源部分不仅成本高,而且增加了整个控制系统的体积)。

  为此,本文根据单端反激式开关电源原理,选择了TOP224Y单片电源控制芯片作为核心器件,提出了一种可实用于单片机控制系统的PWM控制的开关电源,该开关电源不仅可以满足单片机控制系统所需电压,而且电路简单、可靠,稳压性能好,开关电源部分所用器件少,使整个控制系统的体积较小。

  由于单片机对其供电电源品质有一定要求,目前该方面的相关研究资料比较少。本文的研究将力图在这方向作些尝试。

  1电路设计为采用TOP224Y芯片构建的单端反激式隔离开关稳压电源设计原理图。输入为270V高压直流电,输出双路电压分别为+ 5V,+15V直流电,+5V,+15V输出功率均为5W.由于TOP224Y的高度集成性,设计工作主要围绕其外部电路进行,同时结合单片机用电特点对其输出电压品质进行分析。根据TOP224Y芯片的工作原理,其外围电路可分为漏极保持电路、变压器、输出整流滤波电路以及反馈电路四部分,下面将分别进行原理和功能分析。

  单端反激式隔离开关稳压电源原理。1漏极保护电路当主功率MOSFET管UI由导通变成截止时,在高频变压器T的初级绕组L1上会产生尖峰电压和感应电压,其中尖峰电压是由于高频变压器存在漏感而形成,它与直流高压和感应电压叠加后很容易损坏主功率管。为此,必须设计漏极保护电路,对尖峰电压进行钳位或吸收。

  VD1和VD2构成的钳位电路可防止高电压对TOP224Y的损坏。其中VD1采用反向击穿电压为200V的TVS(瞬态电压抑制器),VD2采用反向耐压为600V的超快恢复二极管。

  1.2变压器设计高频变压器的绕制是开关电源中比较关键的部分,关于高频变压器有关参数的计算及绕制方法,相关资料很多,介绍的也很详细,在这里就不作为重点介绍,只给出几个与实际绕制有关的参数,包括变压器铁芯类型、初级电感量LP、变压器初、次级绕组匝数、铁芯气隙大小、以及绕组导线线径等参数。

  铁芯材料的选择直接影响单片开关电源的总体性能。根据TOP224芯片100kHz的工作频率选用锰锌铁氧体,根据输出的功率,铁芯的外形选用EE22.要计算Lp,首先要计算出输人电流的平均值八和初级峰值电流/P,计算公式如下八v其中:尸。为输出的总功率,约为lW;7为变压器效率,取为80%;XP为初级纹波电流与初级峰值电流的比值,取为。8;为最大占空比,为37%;/为开关频率,100kHZ;Z为损耗分配系数,0对于固定输入,选择次级绕组为0.6V/匝,输出电压V.为5V,可得次级绕组匝数各:FP1为初级感应电压,取135V;Vfb为反馈电压,取为15V.首先做出两点假设:①由于铁芯开气隙后剩磁尽减小很多,认为尽=0;②由于气隙磁阻远大于磁路其他部分磁阻,认为磁势全部降于气隙处。

  气隙长度;为最大磁感应强度。

  选择最大磁感应强度尽n后,可求得气隙长度。气隙长度的选取不宜过长,过长的气隙会导致主磁路磁阻增大,磁力线通过漏磁路闭合,增加漏感和电磁干扰导线的线径与流过导线的电流有关。本设计采用线径为31mm的漆包线。

  次级绕组电流有效值/反1.3输出整流滤波电路设计输出整流滤波电路直接关系到输出电压纹波大小,影响单片机提供的+5V的电压的性能。该部分电路由整流二极管1)1和滤波电路C1,L4,C5的构成。

  开关电源输出端的纹波幅值主要由以下四个方面决定:输人电源噪声。主要是270V输人电源中本身包含的交流噪声。

  高频噪声。开关电源是依靠功率开关管对直流输人电压进行高频斩波,然后经过变压器传输、整流滤波再实现稳压输出的,在其输出端必然含有与斩波频率相同的高频噪声,其大小主要与开关电源的斩波频率及输出滤波器的结构和参数有关。

  寄生参数引起的共模噪声。由于功率器件和变压器的原副边之间存在寄生电容,导线间存在寄生电感,当矩形波电压作用于功率电路时,输出端将产生共模噪声。

  功率器件开关过程中引起的超高频噪声。由于整流二极管存在反向恢复时间,在正偏到反偏的过程中,反偏的二极管存在寄生电容不能立刻停止,表现出电容特性。该等效电容与导线的寄生电感一起产生超高频震荡,经LC滤波器衰减,在输出端表现出超高频噪声。

  为了减小上述几方面因素产生的纹波,主要采用T以F的措施:对于交流噪声,采用在输人端接滤波电容t中C),进行滤波整流管采用肖特基二极管(中D1)。基于它低压、低功耗、大电流的特点,有利于提高电源效率,其反向恢复时间短(<10ns),则有利于减少高频噪声。整流管实际承受的最大反向峰值电压李京民,王柏盛。开关电源中变压器的设计。河北煤炭建筑工程学院学报,1995,(2),由于采用了多项措施减小纹波,从输出电压的波形图可以看出,纹波也比较小,能够满足单片机的供电(上接第23页)同时又使转换器不产生失调,另外设计了由LS123,LS173和8255组成的电路,把存于LS173的数据送入8255的PA,PB口,再送人422板上的单片机系统。

  4422板设计422板是进行所有数据综合和处理的中枢,与相机系统的操纵器、CPU通过RS-422总线接口进行数据处理和数据通讯,它采用差动接收、差动发送工作方式,通过四差分线驱动器MC3487(SN75174)及四差分线接收器MC3486(SN75175)来实现。422板按照程序接收来自429板、407板发来的导航数据和操纵器发来的指令,经过整理、排序后,向相机系统的CPU发送,同时收集CPU的相机状态数据,并返回到操纵器要求。

  实验说明,该单端反激式隔离开关电源的电压调整率、输出电阻和纹波低,系统安全可靠,成本低廉,对单片机控制系统具有优良的供电特性。

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