2 電路原理與設計

　　2.l TOP224Y的主要特性

　　TOP224Y是TOPSwitch-Ⅱ系列集成芯片中的一種，是典型的三端器件，三個管腳分別為控制極C源極S和漏極D，其內部MOSFET耐壓值高達700V。它具有寬電壓輸入范圍(交流輸入電壓可達85～265V)，AC/DC變換效率可達90％。它將功率開關管與其控制電路集成于一個芯片內，并具有自動復位、過熱保護和過流保護等功能。由于它有很高的集成度和完善的保護電路，因而用它構成的開關電源外圍元器件數目少、電源體積小、可靠性高，這些特點非常適合于用來設計小功率輔助電源。

　　圖2是其內部結構框圖。當系統上電時，漏極D變為高電位，內部電流源開始向C端供電且片內開關在O位，給并接在C、S極的外接電容(如圖3中的C2)充電，當充電到5.7V時，自動重啟動電路關閉，片內開關跳到l位。TOPSwitch進入正常工作狀態，輸出PWM波驅動內部MOS管工作。此后，Ic改由反饋電路提供。控制端電壓Uc經過Zc、P溝道場效應管和電阻RE分壓后，獲得反饋電壓Uf加至誤差放大器的反相輸入端。誤差放大器將Uf與5.7V基準電壓進行比較之后，輸出誤差電流If，當If流過電阻RE時，就在其上形成誤差電壓，以此和鋸齒波電壓進行比較，調節脈沖占空比。由以上分析可看出，TOPSwitch-Ⅱ屬電流控制型開關電源，由控制端電壓Uc提供偏壓，控制端電流Ic調節占空比。

2.2 主電路工作原理

　　圖3所示為本文設計的基于TOP224Y的反激式控制器輔助電源電路圖。輸入電壓為直流160～220V，輸出為一路+5V電壓和兩路瓦相隔離的+15 V電壓，設計功率為5W。

電路中D1為TVS(瞬態電壓抑制器)，D2為超快恢復二極管，D1和D2組成箝位保護電路，用于對高頻變壓器由于漏感而產生的尖峰電壓進行箝位和吸收，從而保護功率MOSFET。副邊電壓經D3、C3整流濾波后輸出+15V電壓給脈寬調制芯片供電并經線性穩壓芯片LM7805降壓后輸出+5 V電壓，給邏輯合成芯片供電，采用LM7805不但省去了多繞一個+5V輸出的副邊繞組，而且輸出電壓性能穩定，紋波更小。

　　由于對輸出電壓的精度要求小是很高，故反饋電路采用配穩壓管的光耦反饋電路。電路利用輸出電壓的變化引起光耦中LED的電流If的變化來控制TOP224Y的控制極電流Ic，從而調節占空比D，改變PWM寬度，達到穩定輸出電壓的目的。比如，由于某種原岡U0↑，則光耦LED的電流If↑，經光耦傳輸后，接收管電流Ice↑，故TOP224Y的Ic↑，而Ic與占空比D成反比關系，故D↓，導致U0↓，實現了穩壓；反之，U0↓→If↓→ICE↓→Ic↓→D↑→U0↑，同樣達到了穩壓的作用。

　　反饋繞組的輸出電壓經D4、C4整流濾波后，給光耦的接收端提供偏置電壓，同時作為另一路+15V電壓輸出給專用驅動芯片供電，電路中C2是旁路電容，其作用有三個：濾除控制端上的尖峰電壓；決定自動重啟動頻率；與R1構成控制環路的補償電路。


　　2.3 高頻變壓器的設計

　　由于外圍元器件少，所以設計的關鍵是變壓器。單端反激式變壓器工作在磁滯回線的第一象限，磁芯同時加有交流和直流，變壓器磁芯磁感應強度變化量△B變化很小，為了防止磁芯飽和，一般采用加氣隙的方法，這就增加了變壓器設計的難度。下面給出設計中變壓器參數的計算方法。

　　本設計反激式變換器采用不連續導通工作方式(DCM)，取最大占空Dmax=0.4，變壓器選用錳鋅鐵氧體R2KB磁芯，其導磁率高達2000μi，飽和磁密BS值為480mT(25℃時)，經計算選用E1-22磁芯，其有效截面積為42m㎡，取△B=O.15T。

　　2.3.1 計算原邊最大電流Ip

式中:Po為輸出功率；

　　η為變換器效率；

　　Vin(min)為輸入最小直流電壓；

　　Dmax為最大占空比。

　　2.3.2 計算原邊電感量Lp

式中：ton為開關管導通時間，ton=DT。

　　TOP224Y的工作頻率為100kHz，所以T=1/f=10μs。

　　2.3.3計算氣隙長度lg

式中：Ac為磁芯的有效截面積(mm2)；

　　Bm為最大磁感應強度（T）。

TOP224Y穩壓電源電機控制


　　2.3.4 計算原、副邊及反饋繞組匝數

反饋繞組匝數：NF=NS=16

　　以上繞組匝數均為取整后的數值。

　　2.3.5 驗算磁芯的△B

故前面選擇的磁芯是合適的。

　　2.3.6 導線的選擇和變壓器繞制

　　本設計由于原、副邊電流均很小且考慮繞制方便，通過計算選用φO.3lmm漆包線繞制變壓器。為了減少漏感，變壓器繞組應同軸分布，繞線采用夾層(三明治)繞法，即：一半原邊繞組52匝(里層)+次級繞組16匝+另一半原邊繞組53匝+反饋繞組16匝(外層)。各層間夾絕緣膠帶，繞完后最外面再用絕緣膠帶包扎，用環氧樹脂膠將磁芯和骨架粘接牢靠。

　　2.4 反饋回路參數確定

　　為了實現線性調節占空比，控制腳電流IC應在2～6mA之間，而IC是受光耦發光管電流If控制的，由于PC817是線性光耦，二極管正向電流If在3mA左右時，三極管的集射電流Ice在4mA左右，而且集射電壓在很寬的范圍內線性變化。因此一般取PC817發光管正向電流If為3mA。

　　本設計反饋電路中D8采用擊穿電壓為13V的穩壓管IN4743。由于光耦PC817中LED的正向壓降為Uf≈1.2V，所以

IN4743穩定電流IZ的典型值為20mA，R2支路只能供給大約3mA電流，為此，利用電阻R3提供另一路約17mA的電流，同時作為一部分假負載用于改善輕負載時的穩壓性能。所以可求得R3阻值為

3 實驗結果及分析

　　根據以上分析和計算，進行了樣機的制作和試驗，圖4、圖5分別為輸入電壓為160V時+5V和+15 V的輸出電壓波形，紋波電壓小于3%。圖6、圖7分別給出輸入電壓在160V和89.5V情況下，輸出功率4.5W時TOP224Y漏極電壓Ud波形，可以看出，在輸入電壓大范圍變化時，系統跨越斷續模式和連續模式兩種工作狀態，并且測量輸出電壓穩定。實驗結果表明，該電源工作在滿載狀態時，效率達81％，電壓調整率、負載調整率和紋波滿足控制電路對電源電壓的要求，系統工作穩定。

4 結語

　　無刷直流電機是機電一體化產品，其中控制器是該電機能否正常工作之關鍵，它決定著電機的電子換向規律、正/反轉可逆運行和功率能流的有效調控，因此，控制器用穩壓電源的設計也顯得尤為重要。本文采用TOPSwitch集成芯片所研制的小功率輔助電源經測試表明，其性能穩定、可靠性高且具有較強的抗干擾能力。