1.引言

與直流電機相比，交流電機不要換向器和電刷，其結(jié)構(gòu)更加簡單。調(diào)速范圍寬、穩(wěn)態(tài)精度高、動態(tài)響應(yīng)快、轉(zhuǎn)子慣量小、輸出功率大等諸多優(yōu)點，使得交流電機在工業(yè)生產(chǎn)中得到較廣泛地應(yīng)用[1]。對伺服系統(tǒng)供電的電源性能的優(yōu)劣，直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性[2]。開關(guān)電源與低效率的線性電源相比，因為其效率高、體積小、重量輕而受到廣泛地關(guān)注[3]。美國pI公司生產(chǎn)的開關(guān)電源專用集成芯片TOpSwitch-II，是一種將pWM和MOSFET合二為一的新型芯片，此系列芯片以其體積小、重量輕、價格低等優(yōu)勢，一經(jīng)推出便得到廣泛的應(yīng)用，展示了良好的應(yīng)用前景。

2.TOpSwitch-II工作原理

TOpSwitch-II芯片，將脈寬調(diào)制(pWM)控制系統(tǒng)的全部功能集成在一起，結(jié)構(gòu)簡單，只有三個引出端，分別為控制端C、源極S和漏極D[4]。內(nèi)含脈寬調(diào)制器、功率開關(guān)場效應(yīng)管、自動偏置電路、保護電路、高壓啟動電路和環(huán)路補償電路,通過高頻變壓器使輸出端與電網(wǎng)完全隔離,真正實現(xiàn)無工頻變壓器、隔離式開關(guān)電源單片集成化,使用安全可靠。TOpSwitch-II是電流控制型開關(guān)電源，控制端供應(yīng)偏壓Uc，對電流Ic的大小進行控制，就能持續(xù)調(diào)節(jié)脈沖占空比，實現(xiàn)脈寬調(diào)制。占空比D與控制端電流Ic呈線性關(guān)系(圖1)。

由圖1可知，在Ic=2.0~6.0mA范圍內(nèi)，當Ic↑時D↓，Ic↓時D↑。ICD1是并在C-S極旁路電容的放電電流，為1.2mA或1.4mA;IB是外部偏置電流，

3.多路開關(guān)電源設(shè)計原理

TMS320F2812是控制板中的最重要的器件一。它每秒可執(zhí)行1.5億次指令，具備卓越的數(shù)據(jù)處理能力。對該芯片供電的優(yōu)劣，直接影響控制板工作的可靠性。由于芯片的供電電壓是3.3V，考慮到控制的要，總共要兩路+5V供電，分別是模擬5V和數(shù)字5V。另外，控制板還有±15V供電的芯片。IpM模塊是交流伺服系統(tǒng)最重要的器件之一。它一般使用IGBT作為功率開關(guān)元件，內(nèi)藏電流傳感器及驅(qū)動電路的集成結(jié)構(gòu)，尤其適合于驅(qū)動電機的變頻器和各種逆變電源。本系統(tǒng)所使用的IpM，總共要4路電氣隔離的+15V電源。綜上所述，伺服系統(tǒng)要+15V、-15V和+5V三種電壓等級供電,故要設(shè)計一個能夠供應(yīng)上述電壓等級的輔助電源。電源設(shè)計參數(shù)如下：

①輸入電壓：VAC;

②輸出電壓：U2~U9;

③最小功率：pomin;

④最大功率：pomax;

⑤轉(zhuǎn)換效率：η;

⑥開關(guān)頻率：fs;

⑦最大占空比：Dmax。

根據(jù)如上設(shè)計技術(shù)指標，要從如下幾個部分進行。

3.1輸入整流濾波電路

輸入整流濾波電路采用Π型濾波(圖2)：其中C17、C18為差模電容，抑制差模干擾;C19、C20為共模電容，抑制共模干擾;濾波電感L1采用雙線并繞。采用不可控的整流橋，整流器件的額定電流有效值ID，必須滿足在低電壓輸入時最大平均電流值，

則：

1D2(ACmin)omaxI??VpF?p(1)式中，VACmin為交流輸入電壓最小值;pF為功率因數(shù)，一般取0.5。反向阻斷電壓VR，按高電壓輸入進行計算：maxR1.252ACV??V(2)圖2中，輸入濾波電容C21的容值，可以按照比例系數(shù)1~3μF/W與輸出最大功率pomax的乘積進行取值。

3.2變壓器

單端反激式開關(guān)電源中的變壓器，在開關(guān)管開通時，儲存能量，阻斷時釋放能量而對負載供電[5]。關(guān)于多路輸出，假如要求每路輸出電壓均具有高精度，則每路均要有閉環(huán)的穩(wěn)壓回路。關(guān)于本設(shè)計的多路輸出，U3輸出這一路精度要求較高，對這一路輸出需加閉環(huán)控制，其它幾路要求相對不高，不要閉環(huán)控制。

3.2.1變壓器鐵芯

一般選軟磁鐵氧體作為變壓器鐵芯，根據(jù)式

(3)~(4)確定鐵芯型號。

81maxmax()210(C)oONSQBKKjpT計(3)式中，S為鐵芯的截面積(cm2);Q為鐵芯的窗口面積(cm2)。Bs為選用的鐵氧體飽和磁感應(yīng)強度，考慮到高溫時Bs會下降，選定工作最大磁感應(yīng)強度Bm;TONmax為最大占空比Dmax對應(yīng)的TOpSwitch-II最大導(dǎo)通時間;△B為鐵芯磁感應(yīng)強度的變化量，工作磁感應(yīng)強為B，最小功率與最大功率的比值為K。上述幾個量相互之間的對應(yīng)關(guān)系為：

式中，Kc為鐵芯填充系數(shù)，Kμ為窗口利用系數(shù)，j為導(dǎo)線電流密度。在確定鐵芯型號時，鐵芯實際的截面積與窗口面積乘積SeQe，應(yīng)不小于SQ。

3.2.2原邊電感和氣隙

反激式開關(guān)電源，當工作在持續(xù)工作模式時，電感電流臨界持續(xù)，變壓器原邊繞組最小電感值L1min為：1221minminminmax(2oS)iONL?pT?UT?(5)式(5)中，Uimin為變壓器原邊直流輸入電壓最小值，文獻[6]指出，它與VACmin的關(guān)系為：21111/2minmin21maxi2AC2()(2)oU???V??C??f??tp??(6)式中，f為工頻交流電網(wǎng)頻率;t為二極管的導(dǎo)通時間，一般取3ms。鐵芯所開氣隙δ為：8210max10(2e)oS??K?SB??pT(7)3.2.3原副邊繞組匝數(shù)計算及電感校核圖2中，原副邊繞組匝數(shù)N1~N10，按式(8)~(17)

計算：411/2101min10(e)N????S?L???(8)(1)匝比計算：U2~U3輸出，匝數(shù)為N2、N3。考慮到肖特基二極管壓降U5D，由反激電路輸入輸出電壓關(guān)系可以得到：?11312max25maxmin(ON)(D)ONinnTTUUTU?????(9)U4~U9輸出，匝數(shù)為N4～N9。考慮到超快速二極管壓降U15D，同理得：?114max415maxmin(ON)(D)ONinTTUUTU????(10)151617181914n?n?n?n?n?n(11)反饋繞組電壓為U10，匝數(shù)為N10，考慮到超快速二極管壓降U12D，同理得：1110max1012maxmin(ON)(D)ONinTTUUTU????(12)

(2)各繞組匝數(shù)計算：123121N?N?(n)?N(13)以U2為參考標準，計算其它副邊繞組匝數(shù)及重新計算原邊匝數(shù)：1212N?N?n(14)14254152(D)(D)N?U?U?U?UN(15)

N5?N6?N7?N8?N9?N4(16)1102510122(D)(D)N?U?U?U?UN(17)式(13)~(17)實際取值時，因為匝數(shù)一般都取整數(shù)，故需對上述計算值進行進位取整(例如計算結(jié)果為7.13和7.83時，均取為8)。(3)原邊電感校核：'81'21min1010cL????N?S(18)式(18)的計算結(jié)果應(yīng)不小于式(5)的值。同理，可計算出副邊各個繞組最小電感值。考慮高頻集膚效應(yīng)，當開關(guān)頻率為fs時，銅線的透入深度△為：1/20(s)???f???(19)式中，γ為銅線的電導(dǎo)率。在確定導(dǎo)線線徑時，其值不能超過2△。3.3箝位保護電路采用瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)和超快恢復(fù)二極管(SRD)組成的箝位電路。電路的重要原理是利用TVS的瞬態(tài)電壓抑制特性來抑制脈沖電壓[7]：當TVS管兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時，它能以極高的速度使其阻抗驟然降低，同時吸收一個大電流，將其兩端的電壓箝位在一個預(yù)定的數(shù)值上，從而確保后面的電路元件免受瞬態(tài)高能量的沖擊而損壞。D11為TVS，它與D12(SRD)組成箝位電路，如圖2所示。D11承受的耐壓值U11、D12承受的耐壓值U12分別按式(20)、式(21)計算：111221U?1.5U(N)?N?(20)12max2ACU?V(21)式中，N'1為校核后的原邊匝數(shù)。3.4反饋電路光耦反饋電路實際由兩部分構(gòu)成：①由反饋繞組N10、高頻整流濾波器構(gòu)成的非隔離式反饋電路，反饋電壓U10為光敏晶體管供應(yīng)偏壓;②由取樣電路、TL431、pC817構(gòu)成的隔離式反饋電路，它將輸出電壓U3的變化量直接轉(zhuǎn)換為控制電流Ic：在Ic=2~6mA的范圍內(nèi)，輸出電壓U3減小時，經(jīng)過光耦反饋電路使得Ic減小，D增大，U3增大，最終保證輸出電壓穩(wěn)定。4.八路開關(guān)電源設(shè)計及性能測試4.1參數(shù)設(shè)計考慮IpM和DSp及其他芯片的工作電流，功率選為75W。由TOpSwitch-II最大輸出功率與型號

故需對上述計算值進行進位取整(例如計算結(jié)果為

的關(guān)系，選擇TOp226Y。按照上述分析，設(shè)計了基于TOp226Y的八路輸出開關(guān)電源，其電路原理圖，如圖2所示，設(shè)計物理量及數(shù)值如表1所示：表1八路輸出開關(guān)電源設(shè)計物理量及數(shù)值

在繞制變壓器時，選擇了EI33型鐵芯。為了使得各輸出繞組間緊密耦合，先繞N1的一半，再繞N10，之后依次繞N2~N9，最后繞N1的另一半。變壓器的各個繞組電感測量值和最小計算值如表2所示：表2變壓器各個繞組電感測量值與最小計算值比較

圖2開關(guān)電源電路原理圖

從表2可以看出，變壓器各個繞組電感測量值均不小于最小計算值，滿足設(shè)計要求。另外，將副邊繞聯(lián)立式(1)~(20),結(jié)合表1，可以求得開關(guān)電源各個重要待定物理量(按公式排列順序)如表3所示：

表3八路輸出開關(guān)電源待定物理量及數(shù)值

4.2性能測試

交流輸入電壓給定187~253V時，對開關(guān)電源進行了上電試驗。為了證明鉗位電路的設(shè)計,圖3給出了交流輸入電壓為220V時，TOp226Y的D與S兩端的電壓應(yīng)力波形，用差分探頭20倍衰減，可以看到電壓被TVS箝位在200V，使得TOp226Y得到了很好地保護。圖4~圖11是交流輸入電壓為220V時，測得的八路輸出電壓波形，從圖中可以看到各路輸出較穩(wěn)定，紋波小。組短路，測得原邊繞組漏感量為26.28μH，小于原邊電感量5%。綜上所述，變壓器能夠正常工作。

5.結(jié)論

本文采用TOp226Y設(shè)計了一款多路輸出的開關(guān)電源，對各個模塊給出了理論分析和參數(shù)計算，最后通過實測結(jié)果分析，得到以下結(jié)論：

(1)TOpSwitch-II系列開關(guān)電源，與MOSFET及pWM控制器集成電路相比，有高集成度、最簡外圍電路等優(yōu)點，降低了設(shè)計難度，縮短了開發(fā)周期。

(2)交流輸入電壓給定為220V±15%時，輸出電壓波動較小，能夠滿足交流伺服系統(tǒng)供電要求，驗證了理論分析和參數(shù)設(shè)計的正確性。

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作者簡介：

余偉(1989-)