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新型 单片 开关电源 设计
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新型单片开关电源的设计 西北工业大学金雍羊彦毕强(西安710072) 摘要:本文介绍反激式变换器 的基本设计规则,同时以西门子TDA1683x系列电流型单片开关 电源为例,介绍一种新型单片开关电源的原理、设计和实验结果。 关键词:反激式变换器单片开关电源 A Design of the New Pattern Single- chip Switching Power Supply Abstract:This paper introduces the basic rule of the Backward Converter,presents the principle, design method and experimentation result of a new pattern Single- chip Switching power Supply by a system made of TDA1683 x,a series of electric current Single- chip Switching power Sup ply produced by SIEMENS company. Keywords:Backward converter Single- chip switching power supply 1引言 由Buck-Boost推演而得反激变换原理如图 1所示,由于电路简单, 且能高效提供直流输出,对多路输出特 别有效,因此广泛用于电力 电子装置的内部电源。 图1反激式变换器原理 在反激式变换器中,一般有两种工作模式:完全能量转换型(电感电流不连续)和不完全能量转换型(电感电流连续)。这两种工作方式的小信 号传递函数是极不相同的,动态分析时要作不同处理。当变换器输入电压在一个较大范围内发生变化,或负载在较大范围内变化时,必然跨越两种工作方式。因此反激式变换器常 要求能在完全和不完全能量转换方式下稳定工作。本文介绍的TDA1683x是一种电流型IC,因此当使用于反激式变换器中时,可以使能量完全转换型的许多设计问题简化 。在不完全能量转换型中,由于传递函数“右半平面零点”,在高频段引入180°相位改变,则电流方式控制不能消除固有不稳定问题,这就要求控制环增益偏离低频段,并要求能降低瞬 态响应速度,这些都要通过调整PID常数来实现。同时,能量不完全转换型的传递函数带有低输出阻抗的两个极点系统,输出负载加大时,脉宽仅需轻微增加即可,可以使输出的负载 能力增加。在设计过程中,恰当掌握磁性参数,可使电源工作在较大动态范围内。 在采用不完全能量传递方式时,由于出现直流分量,需加气隙,以便增加其动态范围,增加其输出功率。同时在设计时选小的△B,从而可以降 低损耗,提高电源的稳定性。一般设变压器传递功率可用下式表示: 式中:Ve表示磁体体积,Lp表示气隙长度,Ip1、Ip2为导通周期始、末的瞬时电流值。显然气隙的存 在提高了传递的功率(图2阴影部分)。 (a)当磁心气隙很小时,反激变换器中变压器的磁化曲线及传递能量 (b)当磁心气隙很大时,反激变换器中变压器的磁化曲线及传递能量 图2 值得注意的是,增加气隙对由于负载引起的磁饱和有明显的抑制作用,但对于因输入电压过高或开关频率过低引起的磁饱和是无用的。 总之,外加的伏秒值、匝数和磁心面积 决定了B轴上的△Bac、直流电流的平均值、匝 数和磁路长度决定了H轴上Hac值的位置。为了防止 磁饱和,必须有足够的线圈数和磁心面积来平衡外加的伏秒值,必须有足够的气隙来平衡直流分量。这在变压器设计中是非常重要的。 在实际设计中,是通过改变初级电感和调整气隙大小来选择能量传递方式的。经验证明,一个合适的气隙可以使电流瞬时值、效率、噪音都比较 合适。气隙的确定,除计算外,还需实际调整,使上面指标达到最佳。 2工作原理 西门子公司最新推出的TDA1683x系列电流型单片开关电源,具有体积小、外围电路简单、温度范围宽的特点,很适用于逆变电源、变频 器等电力电子设备的工作电源。这种电流型控制器件工作原理如图3所示。流经MOS管电流的大小和一个给定电压值进行比较,其输出确定了MOS管的导通时间;其中输出电压与给定 电压相关。为了简化外部电路,MOS管的电流检测电阻直接集成在IC内部。同时,确定单片电源频率的振荡电阻和电容,也集成于IC内。为了尽量降低温度对芯片工作的影响,采取了 专门的温度补偿措施,并尽量降低电阻的误差。 下面,以TDA16833为例分析其内部结构的功能。 图3TDA16831-9系列电流型单片开关电源工作原理 (1)起动电路(UVLO):该部分接于外部Vcc端。当Vcc电压高于固定的开通门限电压时,UVLO工作,bias电路和软起动电 路闭合。一旦Vcc电压低于关闭门限电压时,则电路关闭。此时电路的电流消耗被限制到最小。 (2)电流源(bias):该电路给内部提供一个恒定的电流,用以限流和定时、软起动等。 (3)软起动(Softstart):此功能只限于TDA16836/7。当芯片起振后,在软起动电容电压上升过程中,MOS管的导通 时间逐步增加,避免了MOS管导通时间瞬时增至最大值带来的不良影响,例如防止功率变压器电流饱和,限制输出滤波电容形成的浪涌电流以及输出的瞬时过冲电压等。特别是芯片的供电是由功率变压器辅 助绕组提供时,输出的过冲电压造成的影响会很大。这时,当输出功率较大时,变压器产生的过冲电压往往会超过Vcc的最高允许值。 (4)振荡器(osc):该部分有一个分频触发器,该触发器可以将振荡频率降至一半,形成开关频率。同时,它能使最大占空比Dmax= 0.5。必要时,可利用辅助电路,使Dmax=0.75。 (5)误差放大器(pwmop):放大进入的MOS电流信号,并将 其转换成电压。一般情况下,当对 MOS管进行斩波操作时,会在电流信 号前形成一个尖峰脉冲,从而使比较结果失效,这点在轻负载时尤为显著。该放大器提供了前沿消隐功能,实际电流信号经过外部偏置而限制了这种现象。 (6)比较器(comparato r):该比较器把被放大了的MOS管电流信号 pwmrmp和由Vout来的参考信号进pwmin行比 较。当电流信号大于参考信号时,MO S管关闭。图中还有一个辅助比较器,设置了非常低的门限电压,用来实现0%占空比。 (7)逻辑控制(logpwm):该电路由一个RS 触发器和一个与非门组成。该部 分控制着MOS管的导通与关 断。使MOS管导通的条件 是使下面诸条件全部成立:软起动开始、pwmin信号超过最低门限、pwmin信号高于pwmrmp、过电流关闭无效、过热关闭无效,以及tff电路输出起动脉冲。使MOS管关断的条件是使 下面任一条件成立:pwmrmp超过pwmin、或者占空比超过0.5,或者pwmcs超过Imax、或者硅片的温度超过Tma x,或者UVLO低于最低门限。 RS触发器的作用是,确保在每一个周 期内只进行一次开通操作。 3专用驱动电源的设计 西门子的TDA1683x系列单片开关电源凭借其独到的性能,可应用于可靠性要求较高的电力电子驱动系统。下面针对IPM模块(CTM -series)电源的设计简介如下。 3.1电路原理 电路原理如图4所示。适用于3kW以下三相变 频器供电的要求。由于外围元件少,电路简单,可靠性很高。TDA16832本身无须散热器 。 图4变频空调开关电源电路原理图 3.2硬件设计与调试 (1)逆变变压器:采用TOKIN专用于逆变器电源的IVT-28P变压器,排列次序如图4中所示。该变压器由于结构的特殊性,保障了 各绕组间可承受AC1500V(1min)的耐压试验。 (2)输出波形(见图5):图中(a)为输入电压AC220V,负载为3RL[注]时的波形;图(b)为输入电压AC240V,负 载为RL时的波形。在如上两种情况下,电源均未工作在连续电流模式。 (a) (b) 图5输出波形 4结束语 该开关电源由于采用了TDA16832单片开关电源,在满足变频空调逆变电源要求的同时,负载有4只继电器,工作可靠稳定,发热量小, 无需散热器。同时外围电路简单,调试非常方便,简化了研制周期。 [注]:RL为电源实验时的一个负载单元,3RL为3倍负载单元。 参考资料 1张占松等,开关电源的原理与设计,电子工业出版社,1998年6月 2SIEMENS,TechnicalProductInformation,Edition9.21999年3.TOKIN,Tro msformers/ChokeCoils1998年
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