新型单片开关电源的设计

新型单片开关电源的设计
西北工业大学金雍羊彦毕强 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. 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) .

图 2.(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 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(comparator):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,MOS 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 Tmax,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.


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