1引言

在進行電路和單片機實驗時,，實驗穩(wěn)壓電源是必需的設(shè)備之一，對這類穩(wěn)壓電源,，功率容量并不要求很大,，但要有多組輸出電壓，其中最好有一組輸出電壓能夠連續(xù)可調(diào),，以適應(yīng)不同場合的需要。市售的實驗穩(wěn)壓電源種類很多,，但基本上都是采用工頻線性穩(wěn)壓方式,。其優(yōu)點是簡單、易制造,、價格低,，缺點是體大笨重和效率低。采用高頻開關(guān)電源是克服上述缺點的有效途徑,，但一般的高頻開關(guān)電源電路復雜,，元器件較多，制作成本也會有所提高,，所以目前在實驗穩(wěn)壓電源中采用高頻開關(guān)技術(shù)的仍不多見,。然而采用TOPSwitch等新型器件制作的高頻開關(guān)電源，電路可以做得和工頻線性穩(wěn)壓電源一樣簡單,，性能很優(yōu)越,，效率卻遠高于后者，而成本也不會有明顯的增加,。

圖1TOPSwitch－Ⅱ系列器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

TOPSwitch器件是美國功率集成公司（POWERIntegrationsInc）,，于90年代中期推出的新型高頻開關(guān)電源芯片。它是三端脫線式PWM開關(guān)的英文縮寫（ThreeterminalofflinePWMSwitch）,。它的特點是將高頻開關(guān)電源中的PWM控制器和MOSFET功率開關(guān)管集成在同一芯片上,，是一種二合一器件。這大大簡化了電源電路,，提高了可靠性,，使得電源的設(shè)計更加簡單快捷,。TOPSwitch器件有多種封裝形式，采用DIP－8和SMD－8封裝的,，中間4只為空腳,，可以將它們接到印刷電路板的銅箔上，將芯片產(chǎn)生的熱量直接傳到印刷電路板上,，不必另設(shè)散熱器,，節(jié)省了成本。采用TO220封裝的,，只有3只管腳,，使用起來就和一只大功率三極管一樣便利。此外由于PWM控制器和MOSFET功率開關(guān)管是在管殼內(nèi)連接的,，連線極短,，這就消除了高頻輻射現(xiàn)象，改善了電源的電磁兼容性能,，減小了器件對電路板布局和輸入總線瞬變的要求,。TOPSwitch－II是TOPSwitch的改進型號，它將單電壓輸入時的最大功率100W提高到150W,，電磁兼容性也得到增強,，該器件具有更高的性能價格比。TOPSwitch－II器件包括TOP225－TOP227等幾個型號,，主要差別就在于輸出功率的不同,。TOPSwitchII器件的內(nèi)部電路與性能分別見圖1和表1所示。

圖2穩(wěn)壓電源原理圖

表1TOPSwitch－Ⅱ的產(chǎn)品分類及最大輸出功率POM

2工作原理

該電源電路拓撲為單端反激式,，電路原理見圖2所示,。220V市電經(jīng)電源噪聲濾波器LF后再通過橋式整流器直接整流。電源濾波器的作用一方面是濾除由電網(wǎng)傳來的雜波電壓,，凈化輸入電源,，另一方面也阻止高頻開關(guān)電源的振蕩電壓竄入電網(wǎng)，干擾其它電器?，F(xiàn)在很多電源設(shè)計不重視電源濾波器的選擇,，一些中小功率的高頻開關(guān)電源往往不加電源濾波器，這樣不僅降低了電源本身的抗干擾能力,，影響其工作穩(wěn)定性,，而且也造成對公共電網(wǎng)的污染。市電經(jīng)整流和電容濾波后,，變成308V的直流電壓供給TOPSwitch－II器件,，TOPSwitch－II構(gòu)成DC/DC變換器，它將輸入的直流高壓變成脈寬可調(diào)的高頻脈沖電壓,，經(jīng)高頻變壓器降壓后再進行半波整流和濾波,，變成所需要的直流電壓輸出,。R1、C1,、VD1組成緩沖吸收電路,，吸收功率器件在關(guān)斷過程中由于變壓器漏感產(chǎn)生的電壓尖峰過沖，電路的工作頻率為100kHz,，振蕩元件已固化在器件內(nèi)部,，高頻變壓器的次級有4個繞組，其中的5V/3A繞組N3控制TOPSwitch－II器件的脈寬,，即這一組輸出電壓為PWM穩(wěn)壓,，由并聯(lián)可編程穩(wěn)壓器TL431和光電耦合器PC及分壓電阻R7、R8完成取樣反饋工作,。之所以選擇這一繞組進行脈寬控制,，是因為它的輸出電壓低電流大，更能體現(xiàn)出開關(guān)電源的優(yōu)越性,。為了實現(xiàn)對光耦的隔離供電,，變壓器單設(shè)了一個輔助繞組N2。±12V/0.5A繞組N4及N5采用集成三端穩(wěn)壓器LM7812和LM7912進行線性穩(wěn)壓,，因輸出電流不大,，功耗較低，散熱問題容易解決,。次級中還有一個1.25V～30V/1.5A的可調(diào)繞組N6，采用了可調(diào)三端穩(wěn)壓器LM317進行線性穩(wěn)壓和調(diào)壓,，為了克服線性穩(wěn)壓在低壓輸出時,，功耗大和效率低的缺點，此繞組設(shè)置了高,、低兩個抽頭,，抽頭的變換由繼電器自動切換，切換電壓設(shè)在15V,，由TL431取樣,。當要求輸出電壓低于15V時，TL431的參考輸入端的電壓低于2.5V,，TL431截止,，繼電器K不吸合，低壓繞組被接通,。反之,，當要求輸出電壓高于15V時，TL431的參考輸入端的電壓高于2.5V,，TL431導通,，繼電器吸合,，高壓繞組被接通。電壓表PV指示輸出電壓的數(shù)值,。

TOPSwitch－II器件型號的選擇

本電源總輸出功率為各組輸出功率之和：

PO=5×3＋12×2×0.5＋30×1.5=72W

若電源總的效率為80％,，則電源輸入的總功率應(yīng)為：

Pi=PO/80％=72/0.8=90W

從表1可以看出，在220V單一電壓條件下,，TOP225Y的最大輸出功率為100W,，能夠滿足本電路要求。

圖2 穩(wěn)壓電源原理圖

3高頻變壓器的設(shè)計

在制作單端反激式高頻開關(guān)電源時,，高頻變壓器的設(shè)計與計算是至關(guān)重要的,，其工作量也是比較大的。

假定交流輸入電壓的范圍是180V～260V,，整流器壓降和輸出電壓紋波為22V,，最大占空比為Dmax=0.5，則K=Uimax/Uimin=364/230=1.58

Dmin=Dmax/[(1－Dmax)K＋Dmax]

=0.5/[(1－0.5)×1.58＋0.5]=0.38

Ip=2PO/(Uimin×Dmax)

=2×90/(230×0.5)=1.57A

(1)變壓器初級電感量

Lp=Uimin×Dmax/(Ip×f)

=230×0.5/(1.57×100×103)

=0.73mH

選擇南京CONDA公司的PQ32/30磁芯,、LP3材料,、AL=1.61、磁通密度B=0.39T,，變壓器工作在單端狀態(tài),，最大工作磁通

Bmax=B/2=0.39/2=0.19T

為避免出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象，變壓器磁芯要留有空氣隙,，其長度

Lg=0.4×π×Lp×Ip2/(AL×B2max)

=0.4×3.14×0.73×10－3×1.572

/(1.61×0.192)

=0.04cm

(2)變壓器初級匝數(shù)N1

N1=Lp×Ip×104/(AL×Bmax)

=0.73×10－3×1.57×104/1.61×0.19

=38匝（取整）

（3）5V繞組匝數(shù)N3

N3=N1（UO＋UD）（1－Dmax）/(Uimin×Dmax)

=38×(8＋1)(1－0.5)/(230×0.5)

=1匝（取整）

（4）±12V繞組匝數(shù)N4,、N5

N4=N5=N1（UO＋UD）（1－Dmax）/(Uimin×Dmax)

=38×(15＋1)×(1－0.5)/(230×0.5)

=3匝（取整）

（5）反饋繞組匝數(shù)N2=N4=N5

（6）1.25V～30V可調(diào)繞組匝數(shù)N6

N6=N1（UO＋UD）（1－Dmax）/(Uimin×Dmax)

=38×(33＋1)(1－0.5)/(230×0.5)

=6匝（取整）

在3匝處抽頭

上述計算匝數(shù)各公式中的UO為輸出電壓（取額定輸出電壓＋穩(wěn)壓器壓降3V），UD為快恢復二極管壓降,，取1V,。

采用高強度漆包線繞制，各繞組所用漆包的線徑如下：

N1用0.71mm

N2,、N4,、N5用0.42mm

N3用0.99mm

N6用0.72mm

5V繞組的輸出濾波電感線圈L1選4cm磁環(huán)，用1.0mm漆包線穿繞15匝,。

高,、低壓切換繼電器用JZC22F，DC12V/10A,，電壓表的型號為85C1,、表盤刻度0～30V。

高頻變壓器的計算過程是很繁瑣的,，要考慮大量相互關(guān)聯(lián)的設(shè)計變量,，費力耗時。為減輕設(shè)計者負擔,，美國功率集成公司特為TOPSwitch器件設(shè)計了一套EXCEL電子表格,，可以在PC機上運行,。應(yīng)用電子表格設(shè)計電源，簡單快捷,，一般只要10分鐘左右即可完成,。中國電源學會1999年第13屆年會上，曾有一篇論文,，專門介紹了EXCEL電子表格,，讀者可參閱該文，這里不再贅述,。