電力儀表開關電源設計
日期: 2018-10-22
隨著電力儀表測量精度的不斷提高以及體積越來越小，傳統的線性電源雖然設計簡單方便，使用的器件較少，紋波能滿足儀表設計的要求，但是要求輸出功能變大時，變壓器的體積是很多工程師棘手的問題，而且成本也隨之增加。開關電源體積小、寬輸入電壓，而且使用合適的元器件，合理的PCB 布線，同樣也能輸出較好的紋波，價格上也可以接近線性電源，甚至更低。本文基于TOP260EN 對電力儀表的開關進行了簡單的設計。
1. TOPSw itch-HX 系列芯片介紹
? 1.1 芯片性能特點
TOPSwitch-HX 系列芯片是美國Power Integrations 公司最新推出的一組開關電源集成芯片。它將高壓功率MOSFET、PWM 控制器、故障保護電路以及其他控制電路集成到單個CMOS 芯片中，具備過壓、欠壓、過流、過熱保護、遠程控制等眾多功能。它廣泛地應用于中小功率開關電源中，使電源損耗更少、電磁干擾更少、體積更小、效率更高、可靠性更高。TOPSwitch-HX 系列產品具有以下顯著特點：
（1）將脈寬調制（PWM）控制系統的全部功能集成到三端芯片中，內含脈寬調制器、功率開關場效應管（MOS- FET）、自動偏置電路、保護電路、高壓啟動電路和環路補償電路，通過高頻變壓器使輸出端與電網完全隔離，真正實現了無工頻變壓器、隔離式開關電源的單片集成化，使用安全可靠。
（2）采用漏極開路輸出，并利用控制極反饋電流IC 來線性調節占空比實現AC/DC 變換的，即屬于電流控制型單片開關電源。
（3）輸入交流電壓和頻率的范圍極寬。作固定電壓輸入時，可選110V/115V/230V 交流電，允許變化±15%。在寬電壓范圍輸入時，適配85～265V 交流電，但輸出功率峰值POM 要比前者降低40%。
（4）它只有三個引出端，能以最簡方式構成無工頻變壓器的單端反激式開關電源。開關頻率的典型值為100 kHz，允許范圍是90 k～110 kHz，占空比調節范圍是1.7%～67%。
（5）外圍電路簡單，電磁干擾小，成本低廉。由于芯片本身功耗很低，電源效率可達80%左右，最高可達90%
? 1.2 芯片內部結構圖和引腳功能
TOPSwitch-HX 封裝主要分為Y 封裝、E 封裝、L 封裝、M封裝、P 和G 封裝。現以圖1（a）所示的E 封裝內部結構圖來說明TOPSwitch-HX 系列芯片的結構特點，其主要由以下幾部分組成：
（1）控制電壓源；
（2）帶隙基準電壓源；
（3）頻率抖動振蕩器；
（4）并聯調整器/誤差放大器；
（5）脈寬調制器（含PWM 調制器和觸發器）；
（6）過電流比較器；
（7）門驅動級和輸出級；
（8）具有滯后特性的過熱保護電路；
（9）關斷/自動重啟動電路；
（10）高壓電流源；
（11）軟啟動電路；
（12）輸入過壓、欠壓檢測及保護電路；
（13）電流極限調節器；
（14）線路檢測器；
（15）線路檢測端和極限電流設定端的內部電路；
（16）停止邏輯；
（17）開啟電壓為1V 的電壓比較器。
TOPSwitch-HX 系列芯片是美國Power Integrations 公司最新推出的一組開關電源集成芯片。它將高壓功率MOSFET、PWM 控制器、故障保護電路以及其他控制電路集成到單個CMOS 芯片中，具備過壓、欠壓、過流、過熱保護、遠程控制等眾多功能。它廣泛地應用于中小功率開關電源中，使電源損耗更少、電磁干擾更少、體積更小、效率更高、可靠性更高。TOPSwitch-HX 系列產品具有以下顯著特點：
（1）將脈寬調制（PWM）控制系統的全部功能集成到三端芯片中，內含脈寬調制器、功率開關場效應管（MOS- FET）、自動偏置電路、保護電路、高壓啟動電路和環路補償電路，通過高頻變壓器使輸出端與電網完全隔離，真正實現了無工頻變壓器、隔離式開關電源的單片集成化，使用安全可靠。
（2）采用漏極開路輸出，并利用控制極反饋電流IC 來線性調節占空比實現AC/DC 變換的，即屬于電流控制型單片開關電源。
（3）輸入交流電壓和頻率的范圍極寬。作固定電壓輸入時，可選110V/115V/230V 交流電，允許變化±15%。在寬電壓范圍輸入時，適配85～265V 交流電，但輸出功率峰值POM 要比前者降低40%。
（4）它只有三個引出端，能以最簡方式構成無工頻變壓器的單端反激式開關電源。開關頻率的典型值為100 kHz，允許范圍是90 k～110 kHz，占空比調節范圍是1.7%～67%。
（5）外圍電路簡單，電磁干擾小，成本低廉。由于芯片本身功耗很低，電源效率可達80%左右，最高可達90%
? 1.2 芯片內部結構圖和引腳功能
TOPSwitch-HX 封裝主要分為Y 封裝、E 封裝、L 封裝、M封裝、P 和G 封裝。現以圖1（a）所示的E 封裝內部結構圖來說明TOPSwitch-HX 系列芯片的結構特點，其主要由以下幾部分組成：
（1）控制電壓源；
（2）帶隙基準電壓源；
（3）頻率抖動振蕩器；
（4）并聯調整器/誤差放大器；
（5）脈寬調制器（含PWM 調制器和觸發器）；
（6）過電流比較器；
（7）門驅動級和輸出級；
（8）具有滯后特性的過熱保護電路；
（9）關斷/自動重啟動電路；
（10）高壓電流源；
（11）軟啟動電路；
（12）輸入過壓、欠壓檢測及保護電路；
（13）電流極限調節器；
（14）線路檢測器；
（15）線路檢測端和極限電流設定端的內部電路；
（16）停止邏輯；
（17）開啟電壓為1V 的電壓比較器。
2. 輔助電源的設計
設計要求.超聲波發生器對輔助電源的要求是：可靠、穩定、小型、高效率；交流輸入電壓為85～265VAC；適應負載在較大范圍變化；自保護功能齊全。設計技術指標如下，輸入電壓： 85～265V AC（50Hz）；輸出電壓和電流： 3 路共地，20V/2A，12V/1A，5V/1A； 1 路獨立地5V/1A；輸出電壓紋波：≤1%；電源效率η：≥75%；電壓調整率SV：±1%；負載調整率SI：±1%。
3. 電路設計及工作原理
3.1 開關電源集成芯片的選取
由設計要求，可確定電源工作方式為反激式，可計算出電源輸出總功率P 為62W（P=20×2+12×1+5×1×2=62W）。考慮到設計時需要留有一定裕量，為此可選用TOP260EN 芯片，其最大輸出功率為93W（適配器模式）。以TOP260EN 為核心設計的輔助電源
3.2 EMI 濾波電路與輸入整流濾波電路設計
電容C1、C6 和電感L1、L2 組成EMI 濾波電路，其中C6能濾除變壓器一次、二次繞組耦合電容產生的共模干擾。橋塊BR1 和電容C2、C4 組成一次整流濾波電路，其中C4 為開關電源提供去耦，從而降低差模干擾，C2 可確保低紋波直流電流進入反激式轉換器級，C2 的容量可依照經驗來取值，可取容量為120μF、耐壓為400V 的電解電容。
3.3 TOP260EN 外圍電路的設計
為了減小變壓器和電源的體積，將引腳（F）與引腳（S）短接，使TOP260EN 工作在開關頻率為132kHz 的全頻方式。電阻R5、R6 和R7 用來限制功率，保證在輸入電壓波動時維持相對恒定的過載功率。將引腳（V）與直流電壓輸入端之間接入線電壓檢測電阻R（R=R3+R4），可為TOP260EN 提供線電壓前饋信號，一方面保證在直流輸入電壓下降到100V 時，輸出沒有干擾，實現欠壓檢測功能；另一方面保證在直流輸入電壓升至450V 以上且電壓恢復正常值以前時，使TOP260EN停止工作，防止器件損壞，實現過壓檢測功能。線電壓檢測電阻R 可由式（1）和式（2）確定為4MΩ。UUV=IUVR （1）
UOV=IOVR （2）
式中：UUV、UOV、IUV、IOV 分別為TOP260EN 的欠壓、過壓、欠壓電流、過壓電流，其數值分別為100V、450V、25μA、112.5μA。
由設計要求，可確定電源工作方式為反激式，可計算出電源輸出總功率P 為62W（P=20×2+12×1+5×1×2=62W）。考慮到設計時需要留有一定裕量，為此可選用TOP260EN 芯片，其最大輸出功率為93W（適配器模式）。以TOP260EN 為核心設計的輔助電源
3.2 EMI 濾波電路與輸入整流濾波電路設計
電容C1、C6 和電感L1、L2 組成EMI 濾波電路，其中C6能濾除變壓器一次、二次繞組耦合電容產生的共模干擾。橋塊BR1 和電容C2、C4 組成一次整流濾波電路，其中C4 為開關電源提供去耦，從而降低差模干擾，C2 可確保低紋波直流電流進入反激式轉換器級，C2 的容量可依照經驗來取值，可取容量為120μF、耐壓為400V 的電解電容。
3.3 TOP260EN 外圍電路的設計
為了減小變壓器和電源的體積，將引腳（F）與引腳（S）短接，使TOP260EN 工作在開關頻率為132kHz 的全頻方式。電阻R5、R6 和R7 用來限制功率，保證在輸入電壓波動時維持相對恒定的過載功率。將引腳（V）與直流電壓輸入端之間接入線電壓檢測電阻R（R=R3+R4），可為TOP260EN 提供線電壓前饋信號，一方面保證在直流輸入電壓下降到100V 時，輸出沒有干擾，實現欠壓檢測功能；另一方面保證在直流輸入電壓升至450V 以上且電壓恢復正常值以前時，使TOP260EN停止工作，防止器件損壞，實現過壓檢測功能。線電壓檢測電阻R 可由式（1）和式（2）確定為4MΩ。UUV=IUVR （1）
UOV=IOVR （2）
式中：UUV、UOV、IUV、IOV 分別為TOP260EN 的欠壓、過壓、欠壓電流、過壓電流，其數值分別為100V、450V、25μA、112.5μA。
4. 結語
本文采用TOP260EN 研制了一款單片開關電源，論文給出了外圍電路各部分的詳細設計方法，并進行了參數計算，通過實測結果分析，驗證了理論的可行性，并且產品作為輔助電源應用于某項目中，取得了很好的效果。
備案號：滬ICP備18025528號-1