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激光電源

基于TOP234Y的電壓可調(diào)數(shù)控開關(guān)電源設(shè)計(jì)

星之球激光 來源:21ic2011-11-22 我要評(píng)論(0 )   

引言 隨著電源電子技術(shù)的高速發(fā)展,普通的開關(guān)電源逐漸顯示出了其在現(xiàn)代高科技產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的眾多不足之處,尤其是開關(guān)電源的智能化要求。然而,數(shù)字控制開關(guān)電源卻在這方...

 

引言

  隨著電源電子技術(shù)的高速發(fā)展,普通的開關(guān)電源逐漸顯示出了其在現(xiàn)代高科技產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的眾多不足之處,尤其是開關(guān)電源的智能化要求。然而,數(shù)字控制開關(guān)電源卻在這方面突現(xiàn)了優(yōu)勢(shì),數(shù)字控制易于采用先進(jìn)的控制方法和智能控制策略,可以從根本上提高系統(tǒng)的性能指標(biāo),減少控制電路的元器件數(shù)量,縮小控制板體積,提高系統(tǒng)的抗干擾能力,提高控制系統(tǒng)的可靠性[1]。本文設(shè)計(jì)一種基于PWM控制器和MOSFET集成芯片TOPSwitch-FX TOP234Y的電壓可調(diào)數(shù)字控制開關(guān)電源。該電源主要用于產(chǎn)品的測(cè)試和開發(fā),也可以做智能控制的電源。

2 總體設(shè)計(jì)方案

  數(shù)字控制開關(guān)電源是一種基于數(shù)字信號(hào)控制調(diào)節(jié)其輸出電壓的、初步實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的數(shù)字化和智能化控制的電路系統(tǒng)。電壓可調(diào)數(shù)字控制開關(guān)電源要求由按鈕控制電壓輸出值在5~40V范圍內(nèi)的步加、步減調(diào)節(jié),步進(jìn)精度為0.2V,并隨時(shí)可以調(diào)回最低值或預(yù)置為最高值,輸出電壓的精度不低于0.1V[2],最大輸出功率不低于20W。

2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

  設(shè)計(jì)一種基于TOP234Y的電壓可調(diào)數(shù)控開關(guān)電源,利用PWM原理控制占空比,采用可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)并經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換放大做控制信號(hào),對(duì)輸出電壓進(jìn)行相對(duì)較大范圍的調(diào)節(jié),由反饋電路確保電壓的穩(wěn)定性,數(shù)字芯片電源由內(nèi)部電源提供。

  按功能系統(tǒng)可基本劃分為兩大部分,即開關(guān)電源的模擬部分和數(shù)字控制部分。模擬部分實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源電壓的整流、濾波、功率變換、限流保護(hù)等功能;數(shù)字控制部分主要是通過計(jì)數(shù)調(diào)壓控制信號(hào)調(diào)節(jié)PWM占空比來改變電壓輸出值并控制反饋信號(hào)以保持電壓輸出值的穩(wěn)定。

2.2基本設(shè)計(jì)思路

  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括模擬開關(guān)電源、反饋電路、PWM及比較器控制和數(shù)字調(diào)壓控制四大模塊。其系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

  模擬開關(guān)電源部分對(duì)輸入交流市電進(jìn)行濾波、抗電磁干擾處理、整流、功率變換和穩(wěn)壓等。數(shù)字器件要求提供的電源基本保持不變,但輸出電壓會(huì)隨數(shù)控調(diào)節(jié)不斷改變,所以開關(guān)功率變換次級(jí)輸出只能在經(jīng)過穩(wěn)壓處理才能用作內(nèi)部電源,這里在電壓不超過最大值的情況下采用三端穩(wěn)壓器。

  開關(guān)電源反饋采用輸出電壓的雙向控制。調(diào)壓控制信號(hào)和反饋信號(hào)采用比較器作比較放大后送PWM控制器,使兩者不會(huì)產(chǎn)生沖突,也不會(huì)漏掉其中任一控制信號(hào),兩者同時(shí)控制開關(guān)脈沖的占空比來調(diào)節(jié)和穩(wěn)定電壓[3]。控制信號(hào)的電壓與輸出電壓的關(guān)系是由PWM控制器實(shí)現(xiàn)線性控制,故PWM控制器必須用線性PWM控制器件。

  在反饋電路中,若輸出電壓偏高,誤差放大反饋信號(hào)進(jìn)入比較器經(jīng)比較輸出的電壓也偏高。轉(zhuǎn)化后的反饋信號(hào)電壓與脈沖調(diào)制器前置的比較器的計(jì)數(shù)調(diào)壓控制電壓比較后的電壓偏低,導(dǎo)致占空比的寬度變窄,引起輸出電壓下降[4];反之亦然。調(diào)壓控制的原理與反饋控制原理相似,但這里集成在TOP芯片中。

  在數(shù)字調(diào)壓控制模塊,由按鈕控制計(jì)數(shù)器的步加、步減、清零和預(yù)置為最大值,并由計(jì)數(shù)器輸出一個(gè)相應(yīng)的電壓信號(hào)。計(jì)數(shù)器輸出的信號(hào)為數(shù)字量,故須再經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換形成相應(yīng)的控制電壓,即數(shù)字調(diào)壓控制信號(hào)。

3電路設(shè)計(jì)

3.1 PWM控制器和MOSFET集成芯片TOPSwitch-FX介紹

  TOPSwitch-FX系列有三種封裝形式,其中TO-220-7B封裝有5個(gè)引出端,它們分別是控制端C、多功能端M、源極S、開關(guān)頻率選擇端F和漏極D。多功能端主要有線路過壓和欠壓保護(hù)、利用線路電壓前饋來降低占空比Dmax、從外部設(shè)定芯片的極限電流ILIMIT等功能。

  TOPSwitch-FX主要由門驅(qū)動(dòng)級(jí)和輸出級(jí)、控制電壓源、帶隙基準(zhǔn)電壓源、頻率抖動(dòng)振蕩器、并聯(lián)調(diào)整器/誤差放大器、脈寬調(diào)整器等主要部分組成。它的工作原理是利用反饋電流IC來調(diào)節(jié)占空比Dmax,達(dá)到穩(wěn)定電壓的目的。例如,當(dāng)輸出電壓UO↑時(shí),經(jīng)過光耦合反饋電路使得IC↑→Dmax↓→UO↓,最終使UO保持不變。

  TOPSwitch-FX有一大特性,當(dāng)控制端電流IC在規(guī)定范圍內(nèi),而多功能端的輸入電流IM為定值時(shí),脈寬調(diào)制器的輸出占空比Dmax與IC成反比。PWM的增益為:
K=ΔD/ΔIC= —22%/mA

ΔD=K×ΔIC= —22%••••••••••••••••••⑴
由式⑴可知,占空比隨IC的增大而減小。實(shí)際上,占空比不僅與IC有關(guān),還取決于IM值[5]。

3.2 配有TL431的光耦合雙向反饋電路

  目前,在普通開關(guān)電源中可由多種方式進(jìn)行輸出反饋。在輸出電壓采樣電路中,一般有鉗位電路。基本原理是比較輸出電壓是高于還是低于鉗位電壓[6]。但在電壓可調(diào)的開關(guān)電源中,因?yàn)檩敵鲭妷罕旧硎且笞兓?,所以不能用類似的反饋電路?/span>

  為了克服這一難題,在電路反饋原理上不再采用單獨(dú)的縱向比較,而是縱向、橫向比較相結(jié)合。橫向是比較兩輸出電路電壓是否相同,而縱向比較是在另一路輸出中加入延時(shí)操作,同時(shí)在調(diào)壓時(shí)禁止反饋。

  具體的電路是在第二路輸出經(jīng)整流濾波后加延時(shí)器,再與第一路進(jìn)行比較,從而實(shí)現(xiàn)縱向比較。而為了在調(diào)壓時(shí)禁止反饋,反饋輸出后加脈沖控制反饋電路的通斷,當(dāng)有調(diào)壓脈沖信號(hào)存在時(shí),反饋通路中斷,這里由壓控繼電器來實(shí)現(xiàn)。另外,由于電壓的精度要求高,在電路反饋中必須對(duì)誤差電壓進(jìn)行放大,中間加比較器放大器后進(jìn)行反饋。同時(shí)在電路中對(duì)輸出采用光耦合器件TL431隔離,提高電壓調(diào)整率[7]。

3.3 數(shù)字調(diào)壓控制電路

  該模塊包括計(jì)數(shù)控制電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。電源整體輸出電壓為5至40V,步長(zhǎng)值設(shè)計(jì)為0.2V,總計(jì)數(shù)次數(shù)為175次,故須采用八位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。從0開始計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)到175,即二進(jìn)制數(shù)的10101111,輸出信號(hào)送數(shù)模轉(zhuǎn)換器,并進(jìn)行功率放大。因?yàn)?Delta;D與ΔIC成反比,即占空比的變化與IC的變化成反比。當(dāng)IC變大時(shí),占空比減小,輸出電壓降低,反之,當(dāng)IC變小時(shí),輸出電壓增大,所以在計(jì)數(shù)器的UP引腳接步減控制按鈕,而DOWN引腳接步加按鈕,計(jì)數(shù)器清零時(shí)輸出電壓最大,預(yù)置為最高時(shí)輸出電壓最小。

3.3.1計(jì)數(shù)控制電路

  控制按鈕為四鍵,分別用于步加、步減、清零和預(yù)置為最大值??赡嬗?jì)數(shù)器采用兩只74LS193級(jí)聯(lián)形成八位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。74LS193是一種雙時(shí)鐘4位二進(jìn)制同步可逆計(jì)數(shù)器,具有預(yù)置、清零、加和減計(jì)數(shù)功能[8]。兩片74LS193采用級(jí)聯(lián)方式,第一片的CLR通過電壓置高開關(guān)接數(shù)字電源。LD接地,即預(yù)置功能在輸出為最低時(shí)有效,預(yù)置數(shù)據(jù)均接高電平。UP、DOWN上拉為高電平,分別通過電壓步減、步加開關(guān)按鈕接振蕩脈沖信號(hào)源。第一片的CO為0時(shí),加計(jì)數(shù)進(jìn)位,BO為0時(shí),減計(jì)數(shù)借位。第二片的計(jì)數(shù)控制由LD執(zhí)行控制功能,即CO、BO分別取反后一起接LD,其它接法與第一片相同,組成一個(gè)八位二進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器。當(dāng)計(jì)數(shù)到175時(shí),加無效,當(dāng)計(jì)數(shù)為0時(shí),減無效。即當(dāng)輸出為10110000時(shí),計(jì)數(shù)器清零。當(dāng)輸出為00000000時(shí),執(zhí)行減操作則計(jì)數(shù)器預(yù)置為最大值[9]。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

3.3.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路

  數(shù)字調(diào)壓控制電路輸出送至數(shù)模轉(zhuǎn)換器,這里因?yàn)闆]有要求其它附加功能,故采用一只ADC6080作為數(shù)模轉(zhuǎn)換[10],其轉(zhuǎn)換信號(hào)提供給功率放大電路[11]。

3.4比較器及PWM控制電路

  TOPSwitch-FX系列芯片集成了保護(hù)電路、PWM控制器及MOSFET管,這里可直接采用TO-220-7B型封裝的TOP234Y型FX芯片。其中接數(shù)控信號(hào)與接反饋信號(hào)進(jìn)行比較放大后接控制端C,M端通過大電阻接電輸入正極[12].

3.5輸出穩(wěn)壓電路

  輸出分為兩路,第一路經(jīng)整流、濾波作開關(guān)電源輸出;第二路為數(shù)字IC提供電源。在整個(gè)控制電路中,所有的數(shù)字芯片都需要恒壓電源,但是在輸出電壓調(diào)節(jié)過程中,第二路輸出也會(huì)隨著占空比的變化而變化,所以要在該路輸出加上恒壓電路。為了設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便,這里用集成三端穩(wěn)壓器。只要把正輸入電壓加到UA7805的輸入端,UA7805的公共端接地,其輸出端便能輸出芯片標(biāo)稱正電壓。在輸入端和輸出端與地之間要接大濾波電容,在芯片引腳根部還要接小容量電容(0.1~10uF)到地[13]。

4 結(jié)論

  設(shè)計(jì)了一種基于PWM控制器和MOSFET集成芯片TOPSwitch-FX TOP234Y的數(shù)控開關(guān)電源,對(duì)一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和分析。如果要求更高精度的可調(diào)電源時(shí)可以增加計(jì)數(shù)器和數(shù)模轉(zhuǎn)換的位數(shù),但同時(shí)要考慮芯片的沉載能力。若要更高的輸出功率,可以更換TOPSwitch-FX芯片。此外,文中對(duì)開關(guān)電源的一些重要參數(shù)如空載功耗等的研究沒有涉及,有待進(jìn)一步研究。

  本文作者創(chuàng)新點(diǎn):設(shè)計(jì)一種基于PWM控制器和MOSFET集成芯片TOPSwitch-FX TOP234Y的電壓可調(diào)數(shù)字控制開關(guān)電源,實(shí)現(xiàn)對(duì)5~40V范圍內(nèi)電壓的步加、步減調(diào)節(jié),步進(jìn)精度為0.2V,并且通過雙向反饋電路提高電壓穩(wěn)定性。

 

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