电力仪表开关电源设计
日期: 2018-10-22
随着电力仪表测量精度的不断提高以及体积越来越小，传统的线性电源虽然设计简单方便，使用的器件较少，纹波能满足仪表设计的要求，但是要求输出功能变大时，变压器的体积是很多工程师棘手的问题，而且成本也随之增加。开关电源体积小、宽输入电压，而且使用合适的元器件，合理的PCB 布线，同样也能输出较好的纹波，价格上也可以接近线性电源，甚至更低。本文基于TOP260EN 对电力仪表的开关进行了简单的设计。
1. TOPSw itch-HX 系列芯片介绍
• 1.1 芯片性能特点
TOPSwitch-HX 系列芯片是美国Power Integrations 公司最新推出的一组开关电源集成芯片。它将高压功率MOSFET、PWM 控制器、故障保护电路以及其他控制电路集成到单个CMOS 芯片中，具备过压、欠压、过流、过热保护、远程控制等众多功能。它广泛地应用于中小功率开关电源中，使电源损耗更少、电磁干扰更少、体积更小、效率更高、可靠性更高。TOPSwitch-HX 系列产品具有以下显著特点：
（1）将脉宽调制（PWM）控制系统的全部功能集成到三端芯片中，内含脉宽调制器、功率开关场效应管（MOS- FET）、自动偏置电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路，通过高频变压器使输出端与电网完全隔离，真正实现了无工频变压器、隔离式开关电源的单片集成化，使用安全可靠。
（2）采用漏极开路输出，并利用控制极反馈电流IC 来线性调节占空比实现AC/DC 变换的，即属于电流控制型单片开关电源。
（3）输入交流电压和频率的范围极宽。作固定电压输入时，可选110V/115V/230V 交流电，允许变化±15%。在宽电压范围输入时，适配85～265V 交流电，但输出功率峰值POM 要比前者降低40%。
（4）它只有三个引出端，能以最简方式构成无工频变压器的单端反激式开关电源。开关频率的典型值为100 kHz，允许范围是90 k～110 kHz，占空比调节范围是1.7%～67%。
（5）外围电路简单，电磁干扰小，成本低廉。由于芯片本身功耗很低，电源效率可达80%左右，最高可达90%
• 1.2 芯片内部结构图和引脚功能
TOPSwitch-HX 封装主要分为Y 封装、E 封装、L 封装、M封装、P 和G 封装。现以图1（a）所示的E 封装内部结构图来说明TOPSwitch-HX 系列芯片的结构特点，其主要由以下几部分组成：
（1）控制电压源；
（2）带隙基准电压源；
（3）频率抖动振荡器；
（4）并联调整器/误差放大器；
（5）脉宽调制器（含PWM 调制器和触发器）；
（6）过电流比较器；
（7）门驱动级和输出级；
（8）具有滞后特性的过热保护电路；
（9）关断/自动重启动电路；
（10）高压电流源；
（11）软启动电路；
（12）输入过压、欠压检测及保护电路；
（13）电流极限调节器；
（14）线路检测器；
（15）线路检测端和极限电流设定端的内部电路；
（16）停止逻辑；
（17）开启电压为1V 的电压比较器。
TOPSwitch-HX 系列芯片是美国Power Integrations 公司最新推出的一组开关电源集成芯片。它将高压功率MOSFET、PWM 控制器、故障保护电路以及其他控制电路集成到单个CMOS 芯片中，具备过压、欠压、过流、过热保护、远程控制等众多功能。它广泛地应用于中小功率开关电源中，使电源损耗更少、电磁干扰更少、体积更小、效率更高、可靠性更高。TOPSwitch-HX 系列产品具有以下显著特点：
（1）将脉宽调制（PWM）控制系统的全部功能集成到三端芯片中，内含脉宽调制器、功率开关场效应管（MOS- FET）、自动偏置电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路，通过高频变压器使输出端与电网完全隔离，真正实现了无工频变压器、隔离式开关电源的单片集成化，使用安全可靠。
（2）采用漏极开路输出，并利用控制极反馈电流IC 来线性调节占空比实现AC/DC 变换的，即属于电流控制型单片开关电源。
（3）输入交流电压和频率的范围极宽。作固定电压输入时，可选110V/115V/230V 交流电，允许变化±15%。在宽电压范围输入时，适配85～265V 交流电，但输出功率峰值POM 要比前者降低40%。
（4）它只有三个引出端，能以最简方式构成无工频变压器的单端反激式开关电源。开关频率的典型值为100 kHz，允许范围是90 k～110 kHz，占空比调节范围是1.7%～67%。
（5）外围电路简单，电磁干扰小，成本低廉。由于芯片本身功耗很低，电源效率可达80%左右，最高可达90%
• 1.2 芯片内部结构图和引脚功能
TOPSwitch-HX 封装主要分为Y 封装、E 封装、L 封装、M封装、P 和G 封装。现以图1（a）所示的E 封装内部结构图来说明TOPSwitch-HX 系列芯片的结构特点，其主要由以下几部分组成：
（1）控制电压源；
（2）带隙基准电压源；
（3）频率抖动振荡器；
（4）并联调整器/误差放大器；
（5）脉宽调制器（含PWM 调制器和触发器）；
（6）过电流比较器；
（7）门驱动级和输出级；
（8）具有滞后特性的过热保护电路；
（9）关断/自动重启动电路；
（10）高压电流源；
（11）软启动电路；
（12）输入过压、欠压检测及保护电路；
（13）电流极限调节器；
（14）线路检测器；
（15）线路检测端和极限电流设定端的内部电路；
（16）停止逻辑；
（17）开启电压为1V 的电压比较器。
2. 辅助电源的设计
设计要求.超声波发生器对辅助电源的要求是：可靠、稳定、小型、高效率；交流输入电压为85～265VAC；适应负载在较大范围变化；自保护功能齐全。设计技术指标如下，输入电压： 85～265V AC（50Hz）；输出电压和电流： 3 路共地，20V/2A，12V/1A，5V/1A； 1 路独立地5V/1A；输出电压纹波：≤1%；电源效率η：≥75%；电压调整率SV：±1%；负载调整率SI：±1%。
3. 电路设计及工作原理
3.1 开关电源集成芯片的选取
由设计要求，可确定电源工作方式为反激式，可计算出电源输出总功率P 为62W（P=20×2+12×1+5×1×2=62W）。考虑到设计时需要留有一定裕量，为此可选用TOP260EN 芯片，其最大输出功率为93W（适配器模式）。以TOP260EN 为核心设计的辅助电源
3.2 EMI 滤波电路与输入整流滤波电路设计
电容C1、C6 和电感L1、L2 组成EMI 滤波电路，其中C6能滤除变压器一次、二次绕组耦合电容产生的共模干扰。桥块BR1 和电容C2、C4 组成一次整流滤波电路，其中C4 为开关电源提供去耦，从而降低差模干扰，C2 可确保低纹波直流电流进入反激式转换器级，C2 的容量可依照经验来取值，可取容量为120μF、耐压为400V 的电解电容。
3.3 TOP260EN 外围电路的设计
为了减小变压器和电源的体积，将引脚（F）与引脚（S）短接，使TOP260EN 工作在开关频率为132kHz 的全频方式。电阻R5、R6 和R7 用来限制功率，保证在输入电压波动时维持相对恒定的过载功率。将引脚（V）与直流电压输入端之间接入线电压检测电阻R（R=R3+R4），可为TOP260EN 提供线电压前馈信号，一方面保证在直流输入电压下降到100V 时，输出没有干扰，实现欠压检测功能；另一方面保证在直流输入电压升至450V 以上且电压恢复正常值以前时，使TOP260EN停止工作，防止器件损坏，实现过压检测功能。线电压检测电阻R 可由式（1）和式（2）确定为4MΩ。UUV=IUVR （1）
UOV=IOVR （2）
式中：UUV、UOV、IUV、IOV 分别为TOP260EN 的欠压、过压、欠压电流、过压电流，其数值分别为100V、450V、25μA、112.5μA。
由设计要求，可确定电源工作方式为反激式，可计算出电源输出总功率P 为62W（P=20×2+12×1+5×1×2=62W）。考虑到设计时需要留有一定裕量，为此可选用TOP260EN 芯片，其最大输出功率为93W（适配器模式）。以TOP260EN 为核心设计的辅助电源
3.2 EMI 滤波电路与输入整流滤波电路设计
电容C1、C6 和电感L1、L2 组成EMI 滤波电路，其中C6能滤除变压器一次、二次绕组耦合电容产生的共模干扰。桥块BR1 和电容C2、C4 组成一次整流滤波电路，其中C4 为开关电源提供去耦，从而降低差模干扰，C2 可确保低纹波直流电流进入反激式转换器级，C2 的容量可依照经验来取值，可取容量为120μF、耐压为400V 的电解电容。
3.3 TOP260EN 外围电路的设计
为了减小变压器和电源的体积，将引脚（F）与引脚（S）短接，使TOP260EN 工作在开关频率为132kHz 的全频方式。电阻R5、R6 和R7 用来限制功率，保证在输入电压波动时维持相对恒定的过载功率。将引脚（V）与直流电压输入端之间接入线电压检测电阻R（R=R3+R4），可为TOP260EN 提供线电压前馈信号，一方面保证在直流输入电压下降到100V 时，输出没有干扰，实现欠压检测功能；另一方面保证在直流输入电压升至450V 以上且电压恢复正常值以前时，使TOP260EN停止工作，防止器件损坏，实现过压检测功能。线电压检测电阻R 可由式（1）和式（2）确定为4MΩ。UUV=IUVR （1）
UOV=IOVR （2）
式中：UUV、UOV、IUV、IOV 分别为TOP260EN 的欠压、过压、欠压电流、过压电流，其数值分别为100V、450V、25μA、112.5μA。
4. 结语
本文采用TOP260EN 研制了一款单片开关电源，论文给出了外围电路各部分的详细设计方法，并进行了参数计算，通过实测结果分析，验证了理论的可行性，并且产品作为辅助电源应用于某项目中，取得了很好的效果。
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