基于TOP204双路输出开关电源设计

  1 引言

    真空镀膜技术在近10几年迅猛的发展中，已经涉及到各个行业。尤其是磁控溅射技术在薄膜制备领域的广泛应用。磁控溅射电源就是针对磁控溅射环节所设计使用的开关电源，其性能直接关系到镀膜产品的质量，已成为衡量磁控溅射设备状态的重要对象。因此，设计性能良好的电源就成为了行业研究的热点问题。近几年来，随着电力电子功率变换技术的不断进步和完善，PWM控制的开关电源以其极高的性价比获得了广泛的应用。尤其是单片开关电源控制芯片获得了长足的发展，TOP SWITCH系列单片电源芯片已将自启动电路、功率MOSFET，PWM控制电路以及保护电路集成在一起，再通过小型高频变压器便可使输出电压与电网输入完全隔离，不仅提高了电源的效率，简化了外围电路，而且降低了电源成本和体积，增强了电源的可靠性。

    在对产品进行镀膜的过程中，需要对电压的稳定性进行检测，而检测系统需要输入稳定、精确度高的±15V直流电源。由于受到体积限制，这两路电源变换应尽可能结构简单、输入电压范围宽、可靠实用，同时满足较好的隔离性(若采用UC3842芯片，其电源部分不仅成本提高，而且增加了整个控制系统的体积)。

    为此，本文根据单端反激式开关电源原理，选择了TOP204单片电源控制芯片作为核心器件，提出了一种可实用于代替UC3842芯片的开关电源。该开关电源不仅可以满足检测系统所需电压，而且电路简单、可靠、稳压性能好，开关电源部分所用器件少，从而使整个检测系统的体积减小。

    2 电路设计

    图1为采用TOP204芯片构建的单端反激式隔离开关稳压电源原理图。输入为（~220±15%）V交流市电，输出双路电压分别为+15V，-15V直流电，其两路输出功率均为7.5W。

    由于TOP204的高度集成性，设计工作主要围绕其外部电路进行，同时结合检测系统用电特点对其输出电压精确度进行分析。根据TOP204芯片的工作原理，其外围电路可分为输入整流滤波电路、漏极保护电路、变压器、输出整流滤波电路以及反馈电路五部分，下面将分别进行原理和功能分析。

图 1 单端反激式隔离开关稳压电源原理图

    2.1 输入整流滤波电路

    220V的交流市电通过保险丝和8w的水泥电阻之后，进入EMI滤波器，它是由C1、Lt和C2组成。其中C1、C2是为了除去差模干扰，其值为0.1µF/630V。Lt为滤波线圈，采取双线并绕，其值为33mH。整流电路采用反向耐压大于400V，冲击电流大于额定整流电流（7~ 10）倍的整流二极管，且整流二极管的稳态电流容量应为计算值的两倍。由此选择4个FR107二极管做整流桥。

    电容+C1的值可根据经验1µF/w来取，考虑到裕量，+C1=68µF/400V。由于220V交流市电在15%之间波动，故VACmax=253V，VACmin=187V。假设整流桥中二极管导通时间为Ton=3ms，由式(1)和式(2)可得输入直流电压最小值和最大值为：  

    式中：η1为系统效率，可选80%；f l为交流电网频率；Po为电源输出功率。

    2. 2漏极嵌位电路

    当TOP204中的主功率MOSFET由导通变成截止时，在高频变压器T的初级绕组L l上会产生尖峰电压和感应电压，其中尖峰电压是由于高频变压器存在漏感而形成，它与直流高压和感应电压叠加后很容易损坏主功率管。为此，必须设计漏极嵌位电路，对尖峰电压进行嵌位或吸收。

    DZ和D5构成的嵌位电路可防止高电压对TOP204的损坏。其中DZ采用型号为P6KE200，反向击穿电压为220V的TVS（瞬态电压抑制器)，D5采用型号为BYV36C，反向耐压为700V的超快恢复二极管。

    2. 3 变压器设计

    （1）铁芯类型

    根据TOP204芯片100kHz的工作频率选用锰锌铁氧体。通常，输出功率和磁芯截面积由经验公式计算，即    

    式中：Ae为变压器磁芯的有效截面积(cm2)；Po为电源的输出功率(w)；η2为变压器的效率，一般取85%。 
根据经验公式的计算，可以选择EI-22铁氧体磁芯，其有效截面积大于Ae的计算值。

（4) 计算初、次级绕组匝数                          

    利用式(7)、式(8)分别计算Np（初级绕组）、Ns（次级绕组）

    式中：△B为感应强度变化量，取值在(0.2~0.3)T之间，这里取0.25，单位是T；Ae是磁芯截面积，单位cm2；Lp是初级电感量，单位H；Ip是初级峰值电流，单位A；Vo是次级绕组输出电压；VD是输出整流二极管压降。各匝数选用如下。

    初级绕组匝数Np为: Np=108. 3匝，取109匝。

    输出电压Vo1=+15V，则次级绕组匝数Ns1为:Ns1=8.5匝，取9匝。

    输出电压Vo2=-15V，则次级绕组匝数Ns2为:Ns2=12.8匝，取13匝 。

    反馈电压Vo3=+7.8V，则次级绕组匝数Ns3为:Ns3=3.7匝，取4匝。

    （5) 计算气隙长度

    气隙长度由式（9）计算。

    式中：lg为气隙长度，单位为cm；Np为原边匝数，Ae为磁芯的截面积，单位为cm2；Lp为初级电感量，单位为H。

    计算得lg=0.0732cm。但在实际手工绕制变压器时，由于气隙太小还得根据实际测试结果进行调整，以达到所要求的结果。

    2 . 4 输出整流滤波电路设计

    输出整流滤波电路由整流二极管和滤波电容构成。输出整流二极管的开关损耗占系统损耗的（5%~10%），是影响开关电源效率的主要因素，它包括正向导通损耗和反向恢复损耗。因此，为了提高开关电源的效率，在其他环节不再有可以挖掘的余地时，只能考虑如何进一步降低输出整流器的导通电压降。由于肖特基二极管导通时正向压降较低, 因此具有很低的正向导通损耗。此外，肖特基二极管反向恢复时间短, 在降低反向恢复损耗以及消除输出电压中的纹波方面有明显的性能优势，所以选用肖特基二极管作为整流二极管。选取的原则是，根据次级整流二极管的电压应力公式，即：。