原標(biāo)題：采用TOP249Y開(kāi)發(fā)變頻器實(shí)現(xiàn)多路輸出開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用方案

采用TOP249Y開(kāi)發(fā)變頻器實(shí)現(xiàn)多路輸出開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用方案

一、引言

隨著PWM（脈沖寬度調(diào)制）技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，開(kāi)關(guān)電源在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)通常采用控制電路與功率管相分離的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但這種方案存在成本高、系統(tǒng)可靠性低等問(wèn)題。為了克服這些缺點(diǎn)，POWER Integration Inc開(kāi)發(fā)的TOP Switch系列新型智能高頻開(kāi)關(guān)電源集成芯片應(yīng)運(yùn)而生。本文將詳細(xì)介紹如何利用TOP Switch的第三代產(chǎn)品TOP249Y開(kāi)發(fā)變頻器用多路輸出開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用方案，并深入探討該芯片在設(shè)計(jì)中的作用及詳細(xì)型號(hào)。

二、TOP249Y概述

TOP249Y是POWER Integration Inc公司推出的TOP Switch系列智能高頻開(kāi)關(guān)電源集成芯片中的一款，該芯片集成了自啟動(dòng)電路、功率開(kāi)關(guān)管、PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制電路及多種保護(hù)電路等，大大提高了電源的效率，簡(jiǎn)化了開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)流程，并提升了產(chǎn)品的可靠性。TOP249Y采用TO-220-7C封裝形式，具有六個(gè)管腳，分別為控制端C、線路檢測(cè)端L、極限電源設(shè)定端X、源極S、開(kāi)關(guān)頻率選擇端F和漏極D。

三、TOP249Y引腳功能及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3.1 引腳功能

• 控制端C：此端為誤差放大電路和反饋電流的輸入端。在正常工作時(shí)，通過(guò)控制電流IC的大小可調(diào)節(jié)占空比，并由內(nèi)部并聯(lián)調(diào)整器提供內(nèi)部偏流。系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)，可利用該端激發(fā)輸入電流，同時(shí)該端也是旁路、自動(dòng)重啟和補(bǔ)償電容的連接點(diǎn)。

• 線路檢測(cè)端L：此端用于輸入電壓的欠壓與過(guò)壓檢測(cè)，并具有遠(yuǎn)程遙控功能。TOP249Y的欠壓電流IUV為50μA，過(guò)壓電流Iav為225μA。若L端與輸入端接入的電阻R1為1MΩ，則欠壓保護(hù)值為50VDC，過(guò)壓保護(hù)值為225VDC。

• 極限電流設(shè)定端X：此端為外部電流設(shè)定調(diào)整端。在X端與源極之間接入不同的電阻，可限定開(kāi)關(guān)電流在不同的數(shù)值。隨著接入電阻阻值的增大，開(kāi)關(guān)允許流過(guò)的電流將變小。

• 源極S：連接內(nèi)部MOSFET的源極，是初級(jí)電路的公共點(diǎn)和電源回流基準(zhǔn)點(diǎn)。

• 開(kāi)關(guān)頻率選擇端F：此端用于選擇開(kāi)關(guān)頻率。當(dāng)F端接到源極時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率為132kHz；當(dāng)F端接到控制端時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率變?yōu)樵l率的一半，即66kHz。

• 漏極D：連接內(nèi)部MOSFET的漏極，在啟動(dòng)時(shí)可通過(guò)內(nèi)部高壓開(kāi)關(guān)電流提供內(nèi)部偏置電流。

3.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

TOP249Y的內(nèi)部工作原理框圖主要包括控制電壓源、帶隙基準(zhǔn)電壓源、振蕩器、并聯(lián)調(diào)整器/誤差放大器、脈寬調(diào)制器(PWM)、門(mén)驅(qū)動(dòng)級(jí)和輸出級(jí)、過(guò)流保護(hù)電路、過(guò)熱保護(hù)電路、關(guān)斷/自動(dòng)重起動(dòng)電路及高壓電流源等部分。這些部分共同協(xié)作，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源輸出。

四、基于TOP249Y的多路輸出開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)要求

本文設(shè)計(jì)的多路輸出開(kāi)關(guān)電源需滿足以下要求：輸入電壓范圍為交流110V～240V，輸出總功率為180W，具體輸出為5V/10A、12.5V/4A、7V/10A。

4.2 外圍控制電路設(shè)計(jì)

• 極限電流設(shè)置：將X與S端短接，可將TOP249Y的極限電流設(shè)置為內(nèi)部最大值。

• 開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置：將F端與S端短接，可將TOP249Y設(shè)為全頻工作方式，開(kāi)關(guān)頻率為132kHz。

• 線路檢測(cè)：在線路檢測(cè)端L與直流輸入U(xiǎn)i端連接一2MΩ的電阻R1進(jìn)行線路檢測(cè)。由于TOP249Y的欠壓電流IUV為50μA，過(guò)壓電流Iav為225μA，因此其欠壓保護(hù)工作電壓為100V，過(guò)壓保護(hù)工作電壓為450V。即TOP249Y在本電路中的直流電壓范圍為100～450V，一旦超出此范圍，TOP249Y將自動(dòng)關(guān)閉。

4.3 穩(wěn)壓反饋電路設(shè)計(jì)

反饋回路的形式由輸出電壓的精度決定。本電源采用“光耦+TL431”作為穩(wěn)壓反饋電路，它可以將輸出電壓變化控制在±1%以內(nèi)。反饋電壓由5V/12A輸出端取樣，電壓反饋信號(hào)U0通過(guò)電阻分壓器R9、R11獲得取樣電壓后，與TL431中的2.5V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較并輸出誤差電壓。然后，通過(guò)光耦改變TOP249Y的控制端電流IC，再通過(guò)改變占空比來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓U0使其保持不變。光耦的另一作用是對(duì)冷地和熱地進(jìn)行隔離。反饋繞組的輸出電壓經(jīng)D2、C2整流濾波后，可給光耦中的接收管提供電壓。R4、C4構(gòu)成的尖峰電壓經(jīng)濾波后可使偏置電壓即使在負(fù)載較重時(shí)也能保持穩(wěn)定，調(diào)節(jié)電阻R6可改變輸出電壓的大小。

4.4 高頻變壓器設(shè)計(jì)

由于該電源的輸出功率較大，高頻變壓器的漏感應(yīng)盡量小。一般應(yīng)選用能夠滿足132kHz開(kāi)關(guān)頻率的錳鋅鐵氧體，為便于繞制，磁芯形狀可選用EI或EE型，變壓器的初、次級(jí)繞組應(yīng)相間繞制。高頻變壓器的設(shè)計(jì)涉及大量相互關(guān)聯(lián)變量，計(jì)算較為復(fù)雜。為減輕設(shè)計(jì)者的工作量，美國(guó)功率公司為T(mén)OP Switch開(kāi)關(guān)電源的高頻變壓器設(shè)計(jì)制作了一套EXCEL電子表格，設(shè)計(jì)者可以方便地應(yīng)用電子表格進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.5 次級(jí)輸出電路設(shè)計(jì)

輸出整流濾波電路由整流二極管和濾波電容構(gòu)成。整流二極管選用肖特基二極管可降低損耗并消除輸出電壓的紋波，但肖特基二極管應(yīng)加上功率較大的散熱器。電容器一般應(yīng)選擇低ESR（等效串聯(lián)阻抗）的電容。為提高輸出電壓的濾波效果，濾除開(kāi)關(guān)所產(chǎn)生的噪聲，在整流濾波環(huán)節(jié)的后面通常應(yīng)再加一級(jí)LCC濾波環(huán)節(jié)。

為防止在開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，TOP249Y關(guān)斷時(shí)漏感產(chǎn)生的尖峰電壓損壞TOP249Y，電路中設(shè)計(jì)了由箝壓齊納管VR1、阻斷二極管D1、電容C5、電阻R2、R3組成的緩沖保護(hù)網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)在正常工作時(shí)，VR1上的損耗很小，漏磁能量主要由R2和R3承擔(dān)；而在啟動(dòng)或過(guò)載時(shí)，VR1會(huì)限制內(nèi)部MOSFET的漏極電壓，以使其總是處于700V以下。

五、電源性能測(cè)試及結(jié)果分析

根據(jù)以上設(shè)計(jì)方法，對(duì)采用TOP249Y設(shè)計(jì)的多路輸出開(kāi)關(guān)電源的性能進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該電源工作在滿載狀態(tài)時(shí)，電源工作的最大占空比約為0.4，電源的效率約為90%。紋波電壓控制、電壓調(diào)節(jié)精度及電源工作效率均超過(guò)了以往采用控制電路與功率開(kāi)關(guān)管相分立的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式的開(kāi)關(guān)電源。

六、結(jié)論

由于TOP249Y芯片內(nèi)部集成了PWM控制器、功率開(kāi)關(guān)MOSFET以及多種保護(hù)電路，因此采用該芯片設(shè)計(jì)出的開(kāi)關(guān)電源具有成本低、外圍線路簡(jiǎn)單、體積小、效率及可靠性高等特點(diǎn)。在中功率電子設(shè)備中具有廣泛的應(yīng)用前景。本文設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源已應(yīng)用于某變頻器的控制電路中，并取得了較好的應(yīng)用效果。

七、主控芯片型號(hào)詳解

在本應(yīng)用中，主控芯片型號(hào)為T(mén)OP249Y，屬于POWER Integration Inc公司的TOP Switch系列。該系列芯片以其高度集成的特性，簡(jiǎn)化了開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)流程，并提升了系統(tǒng)的整體性能。TOP249Y作為該系列中的一款重要產(chǎn)品，不僅集成了自啟動(dòng)電路、功率開(kāi)關(guān)管、PWM控制電路及多種保護(hù)電路，還具備較高的開(kāi)關(guān)頻率和靈活的電流、電壓調(diào)節(jié)能力。這些特性使得TOP249Y在變頻器用多路輸出開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)中表現(xiàn)出色，滿足了設(shè)計(jì)要求并實(shí)現(xiàn)了高效、穩(wěn)定的電源輸出。

綜上所述，采用TOP249Y開(kāi)發(fā)變頻器用多路輸出開(kāi)關(guān)電源是一種高效、可靠的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)合理的電路設(shè)計(jì)和嚴(yán)格的性能測(cè)試，可以確保電源在各種工況下都能穩(wěn)定、高效地工作。