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如何避免小功率通用開關電源設計中產(chǎn)生的EMI
2022-06-20

  直流穩(wěn)壓電源是現(xiàn)代電力電子系統(tǒng)中的重要組成部分,好的直流電源系統(tǒng)是高質量現(xiàn)代電子系統(tǒng)的重要保證。開關電源本身種類繁多,設計方法也復雜多樣,因此研究一種簡潔的方法去快速設計出所需要的通用型高效率,低廉價格的開關電源是很有必要的。   1 開關電源工作原理   開關直流穩(wěn)壓電源是基于方波電壓的平均值與其占空比成正比以及電感、電容電路的積分特性而形成的。其基本工作原理是,先對輸入交流電壓整流,從而形成脈動直流電壓,經(jīng)過DC-DC 變換電路變壓,再通過斬波電路形成了不同脈沖寬度的高頻交流電,然后對其整流濾波輸出需要電壓電流波形。如果輸出電壓波形偏離所需值,便有電流或電壓采樣電路進行取樣反饋,經(jīng)過與比較電路的電壓值進行參數(shù)比較,把差值信號放大,從而控制開關電路的脈沖頻率f 和占空比D,以此來控制輸出端的導通狀態(tài)。因此,輸出端便可以得到所需的電壓電流值。   如圖1, 將開關電源模塊劃分為以下幾個部分。   根據(jù)電力系統(tǒng)的實際需要,通過對各個部分進行分析,便可以設計出相應的開關電源產(chǎn)品。   圖1 開關電源原理框圖。   2 TopswitchⅡ簡介   TOPSwitch ??是POWER 公司生產(chǎn)的高集成的用于開關電源的專用芯片。它將功率開關管與其控制電路集成于一個芯片內(nèi),并具有自動復位,過熱保護與過流保護等功能,其功能原理圖如圖2 所示。當系統(tǒng)上電時,D 引腳變?yōu)楦唠娢?,?nèi)部電流源開始工作且片內(nèi)開關在0 位,TOPSwitch 給并接在C 引腳的電容C5(見圖2) 充電。當C5 端電壓達到5.7 V 后,自動重起電路關閉,片內(nèi)開關跳到1 位。C5 一方面提供TOPSwitch 內(nèi)部控制電路的電源,使誤差放大器開始工作,另一方面提供一反饋電流以控制開關管的占空比。MOSFET 開關管的驅動信號由內(nèi)部振蕩電路、保護電路和誤差放大電路共同產(chǎn)生。C5 兩端的電壓愈高,MOSFET 開關管驅動脈沖的占空比愈小。   3 TOPSwitch 芯片的選型   在設計開關電源時,首先就要面臨如何選擇合適的開關電源控制芯片。在選擇芯片的時候,要既能滿足要求,又不因為選型造成資源的浪費。下面就介紹利用TopswitchⅡ系列開關電源的功率損耗( PD ) 與電源效率(η),輸出功率( Po ) 關系曲線,快速選擇芯片的型號,從而完成寬范圍輸入的通用開關電源的設計。   圖2 TOPSwitch芯片內(nèi)部原理圖。   3.1 PD,η, Po 關系曲線   寬范圍輸入的交流電壓為85~ 265 V, 在這種條件下,TOP221~ TOP227 系列單片開關電源的P D,η,Po 關系曲線如下,見圖3、圖4。   圖3 寬范圍輸入且輸出為5 V 時PD ,η, Po 關系曲線。   圖4 寬范圍輸入且輸出為12 V 時PD,η, Po 關系曲線。   注意,這里假定交流輸入電壓最小值umin= 85 V,最高輸入電壓umax = 265 V.途中的橫坐標代表輸出功率,而15 條虛線均為芯片功耗的等值線。   首先確定適用的曲線圖,例如,當u= 85~ 265 V,Uo= + 5 V 時,應該選擇圖3; 當u= 220 V( 即230 V-230 V× 4.3% ),Uo= + 12 V 時,就應該選擇圖4; 然后在橫坐標上找出欲設計的功率輸出點P o ; 從輸出功率點垂直向上移動,知道選中合適芯片所指的那條曲線。如果不適用,可以繼續(xù)向上查找另一條實線; 然后從等值線( 虛線) 上讀出芯片的功耗PD,進而還可以求出芯片的結溫( Tj ) 以確定散熱片的大小。   例如,設計輸出5 V, 30 W 的通用開關電源時,就要選擇圖3.因為通用開關電源輸入交流電壓范圍85~ 265 V.首先從橫坐標上找到Po = 30 W 的輸出功率點,然后垂直上移,與T OP224 的實線相交于一點,由縱坐標上查出該點的η= 71.2%,最后從經(jīng)過這點的那條等值線上,查得PD = 2.5 W.這表明,選擇TOP224 就能輸出30 W 功率,并且預期的電源效率為71.2%,芯片功耗為2.5 W.如果覺得指標效率偏低,還可以繼續(xù)往上查TOP225 的實線。同理,選擇TOP225 也能輸出30 W 的功率,而預期的電源效率可以提高到75%,芯片功耗可以降低1.7 W.然后根據(jù)所得到的PD 值,還可以進而完成散熱片設計。   3.2 等效輸出功率的修正   PD ,η, Po 關系曲線均對交流輸入電壓的最小值進行了限制,umin = 85 V.如果交流輸入電壓最小值不符合上述的要求,就會直接影響芯片的正確選擇。此時必須從實際的交流輸入電壓u? min最小值對應的功率P‘o 折算成umin為規(guī)定值時的等效功率Po,才能使用上面的圖。功率修正的方法如下: 選擇使用的特性曲線,然后根據(jù)已知的u’min值查出折算系數(shù)K;將P ‘o折算成umin為規(guī)定值時的等效功率Po,表達公式P o=P’o / K;然后從圖3、圖4 中選用適當?shù)年P系曲線。   圖5 寬范圍輸入時K 與u‘min 的關系。   例如設計12 V, 35 W 的通用開關電源,已知umin= 90% × 115 V = 103.5 V.從圖5中查出K =1.15.將P ’o = 3.5 W, K = 1.15帶入P o= P ‘o / K 中,計算出Po= 30.4 W; 再根據(jù)Po 的值,從圖4 中查出選擇的最佳型號是T OP224 芯片,此時η = 81.6%,PD= 2 W.如果選擇了T OP223, 則η 降到73.5%,PD 增加到5 W, 顯然不合適。如果選擇T OP225 型,就會造成資源浪費,因為它比TOP224 的價格要高一些,而且適合輸出40~ 60 W 的更大的功率。

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