基于TOPSwitch-GX系列的伺服系統(tǒng)多輸出開關電源

1、    基于TOPSwitch-GX系列的伺服系統(tǒng)多輸出開關電源1引言多路輸出開關電源廣泛應用在各種復雜小功率電子系統(tǒng)中,就多路輸出而言,通常只有輸出電壓低、輸出電流變化范圍大的一路作為主電路進行反饋調(diào)節(jié)控制,以保證在輸入電壓及負載變化時保持輸出電壓穩(wěn)定,由于受變壓器各個繞組間的漏感和繞組電阻等的影響,輔助輸出電壓隨輸出負載的變化而變化,通常,當主輸出滿載和輔助輸出輕載時,輔助輸出電壓將升高,而當主輸出輕載和輔助輸出滿時,輔助輸出電壓將降低,這就是多路輸出的負載交叉調(diào)整率1 引言多路輸出開關電源廣泛應用在各種復雜小功率電子系統(tǒng)中,就多路輸出而言,通常只有

2、輸出電壓低、輸出電流變化范圍大的一路作為主電路進行反饋調(diào)節(jié)控制,以保證在輸入電壓及負載變化時保持輸出電壓穩(wěn)定,由于受變壓器各個繞組間的漏感和繞組電阻等的影響,輔助輸出電壓隨輸出負載的變化而變化,通常,當主輸出滿載和輔助輸出輕載時,輔助輸出電壓將升高,而當主輸出輕載和輔助輸出滿時,輔助輸出電壓將降低,這就是多路輸出的負載交叉調(diào)整率問題,筆者基于TOPSwitch-GX系列設計了一種多路輸出開關電源,很好的解決了多路輸出的負載交叉調(diào)整率問題,該電源在各種工況下都能穩(wěn)定輸出,主輸出電壓紋波小于3%,各路輔助輸出紋波小于5%,負載交叉調(diào)整率小于5%,在交流伺服系統(tǒng)中,該電源給系統(tǒng)控制部分部及功率部分供

3、電,開關電源的性能直接影響到交流伺服系統(tǒng)的伺服特性,如何設計一個穩(wěn)定性能好、交叉調(diào)整率小、電壓紋波小的開關電源是一個急需解決的問題。2 TOPSwitch-GX系列簡介2.1 與TOPSwitch-FX的性能比較TOPSwitch系列單片機開關電源是美國功率集成公司于上世紀90年代中期推出的新型高頻開關電源,它是三端離線式PWM開關的英文縮寫（Three Terminal Off Line PWM Switch）被譽為“頂級開關電源”。它的特點是將高頻開關電源中的PWM控制器和MOSFET功率開關管集成在同一芯片上,是一種二合一器件。TOPSwitch-GX是該公司推出的第四代系列產(chǎn)品,除具備

4、TOPSwitch-FX系列的全部優(yōu)點外,它還將最大輸出功率從75W提高到290W,適合構成大中功率的高效率,隔離式開關電源;將開關頻率提高到132KHz,有助于減小高頻變壓器及整個開關電源的體積,適合作為伺服電機控制板的板載電源的主控器件,當開關電源負載很輕時,它能自動將開關頻率從132KHz降低到30KHz（在半頻模式下,則由66KHz降到15KHz）,可降低開關損耗,進一步提高電源效率,采用被稱作EcoSmart的節(jié)能新技術,顯著降低了在遠程通/斷模式下的功耗,當輸入交流電壓是230V時,功耗僅為160mW。2.2 TOPSwitch-GX的工作原理TOPSwitch-GX的內(nèi)部主要由1

5、8個部分組成,與第三代TOPSwitch-FX系列的主要區(qū)別是在該系列的基礎上作了一些改進,在原有的5個組成部分上新增加了3個單元電路,電流極限調(diào)節(jié)器也增加了軟啟動輸出端;將頻率抖動振蕩器產(chǎn)生的開關頻率提升到132KHz（全頻模式）或66KHz（半頻模式）;給頻率抖動振蕩器增加了一個“停止邏輯”（STOP LOGIC）電路,使只工作更為可靠。TOPSwitch-GX利用反饋電流Ic來調(diào)節(jié)占空比D,達到穩(wěn)壓目的,當輸出電壓U0降低時,經(jīng)過光耦反饋電路使反饋電流Ic減小,占空比則增大,輸出電壓隨之升高,最終使U0維持不變,同理,當輸出電壓Uo升高時,通過內(nèi)部調(diào)節(jié),也能使U0維持不變。3 電源主電路

6、設計方案3.1控制板和功率板電源需求電源是為交流伺服系統(tǒng)的控制板和功率板供電的,并以板載電源的形式作為控制板和功率板組成的一部分,系統(tǒng)對板載電源的要求是電壓紋波小于5%,多路輸出電壓交叉調(diào)整率低于5%,在各種工況下能穩(wěn)定輸出,滿足系統(tǒng)的供電需求,控制板和功率板電源地之間相互隔離,避免電磁干,要求電源能軟啟動,避免瞬間高壓對系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響,根據(jù)系統(tǒng)要求,設計的多路輸出板載電源的各路輸出電壓,電流及作用如表1所示,其中+5V與+15V二路輸出共地,+3.3V無與+5V二路輸出共地,兩組地彼此是相互電氣隔離的。3.2 電源主電路板載電源主電路如圖1所示。電源采用單端反激式拓撲結(jié)構,選用TOPSwi

7、tch-GX系列電路,當電源輸入電流85V-265V時,交流電壓U依次經(jīng)過電磁干擾（EMI）濾波器、輸入整流濾波器和系列軟啟動電路得到直流高壓DCP,DCP經(jīng)過R68接L端,能使極限電流隨DCP升高而降低,使用箝位二極管和阻斷二極管D1替代價格較高的TVS(瞬態(tài)電壓抑制器）,用于吸收在TOP244Y關段時高頻變壓器漏感產(chǎn)生的尖峰電壓,對漏極起到保護作用,次級電壓經(jīng)整流、濾波后變?yōu)槎嗦份敵?其中15V電源輸出和輔助輸出用的是快速恢復二極管,其他輸出用的是肖特基二極管,其目的是減少整流管的損耗。該電源電路采用了TOP244Y、PC817型光電耦合器及LMV431A型可調(diào)試精密并聯(lián)穩(wěn)壓管,為減小高頻

8、變壓器體積和增強磁場耦合程度,次級繞組采用了堆疊式繞法。LMV431A的內(nèi)部參考電壓為2.495V,輸出電壓經(jīng)電位器和R65分壓,可調(diào)電壓2.5V（基準值）至37V（最大值）之間,R66和C75構成LMV431A的頻率補償網(wǎng)絡。除3.3V主輸出外,其余各路輸出未加反饋,輸出電壓均由高頻變壓器的匝數(shù)比決定,另外,為了盡可能減少電磁干擾,在開關電源的輸出側(cè)接入共模扼流圈,以改善電磁噪聲。3.3 多路輸出交叉調(diào)整率對于多路輸出,如果要求每路輸出電壓均具有高精度,則煤爐都應有獨立的閉環(huán)穩(wěn)壓回路,如果只有一路輸出是重負載,其他路輸出的副載較輕,對于輸出電壓精度要求不是很嚴格,則只需給重負載所在的回路加反

9、饋控制回路.本模塊的4路輸出中,由于+3.3V輸出是最重要的負載,輸出電流（最大3A）,+5V、+5V（HVDD）+ 15V是集成電路的電源,允許電壓在10%的范圍變化,電流較小,所以只在+3.3V輸出回路采用閉環(huán)穩(wěn)壓電路。在+5V、+5V（HVDD）、+15V所在回路7805型和7815型集成穩(wěn)壓器,由于反激式變壓器本身就是耦合電感,所以采用這種高頻反激式拓撲結(jié)構的變壓器就能改善多路輸出交叉調(diào)整率。在這種開關電源的設計過程中,由于高頻變壓器參數(shù)對開關電源的性能影響很大,所以高頻變壓器的設計是很重要的,對于多路輸出電源,其輸出阻抗直接決定輸出電壓的變化,輸出阻抗與各輸出繞組間的漏感成正比,而初

10、、次級繞組的耦合程度對輸出阻抗也有很大影響,所以設計多路輸出高頻變壓器要使各輸出繞組間緊密耦合,且輸出電流變化范圍大的繞組（主輸出繞組）與初級繞組要耦合得最好,以利于提高交叉調(diào)整率,通過實驗與分析,對本系統(tǒng)中采用的變壓器,繞組的最佳繞制順序為先繞原邊的一半,再繞副邊繞組,最后繞原邊的另外一半和偏置繞組。漏感會導致變壓器電壓的尖峰,對于反激變壓器,該尖峰直接引起輔助輸出輕載時輸出電壓的攀升。如果能保持箝位電壓的大小略高于次級反射電壓,則多路輸出反激式開關電源的交叉調(diào)整率能得到極大的改進,這里采用在變壓器原邊并聯(lián)由一個箝位二極管和一個快恢復二極管構成的箝位電路的方法,這個箝位電路能限制尖峰電壓攀升

11、并吸收尖峰電壓的能量,次級反射電壓為135V,采用200V的P6KE型箝位二極管和FR1107型快恢復二極管。采取上述措施后,多路輸出電壓的交叉調(diào)整率得到極大的改善,主輸出電壓紋波小于3%,各路輔助輸出電壓紋波小于5%,負載交叉調(diào)整率小于5%。3.4 高頻變壓器的設計單端反激式高頻開關變壓器是開關電源的關鍵,這種變壓器實質(zhì)上是一個耦合電感器,它要具有著儲能、變壓、傳遞能量等功能,筆者采用面積乘積法來設計高頻變壓器。這些參數(shù)由設計人員根據(jù)用戶需求和電路的特點確定,包括輸入電壓Vin、輸出電壓Vout、每路輸出的功率Pout、效率、開關頻率fs（或周期T）,線路主開關管的耐壓Vmos。在反激式變換

12、器中,副邊反射電壓即反激電壓Vf與輸入電壓之和不能高于主開關管的耐壓,同時還要留有一定的裕量（此處假設為150V）,反激電壓由下式確定：Vf=Vmos-VinDCMax-150V （1）式中,VinDCMax為變壓器前端入的最小直流電壓。確定了反激電壓之后,就可以由式（2）確定原、副邊的匝比,即Np/Ns=Vf/Vout （2）式中,Np為原邊繞組匝數(shù),為副邊繞組匝數(shù)。反激式電源的最大占空比DMax出現(xiàn)在最低輸入電壓、最大輸出功率的狀態(tài)下,根據(jù)穩(wěn)態(tài)下變壓器的磁平衡式可求出Dmax,即VinDCMaxDMax=Vf（1-Dmax） （3）設在最大占空比時,當開關管開通時,原邊電流為Ip1;當開關

13、管關斷時,原邊電流上升到縫制電流Ip2。若Ip1為0,則說明變壓器工作在斷續(xù)模式,否則工作在連續(xù)模式,由能量守恒定律可以得到下式：1/2（Ip1+Ip2）DMaxVinDCMax=Pout/ （4）在一般連續(xù)模式設計中,令Ip2=3Ip1,這樣就可以求出變壓器的原邊電流,由下式可以得到原邊電感量Lp：Lp=DMaxVinDCMax/fsIp （5）對于連續(xù)模式,Ip=Ip2-Ip1=2Ip1;對于斷續(xù)模式,Ip=Ip2?？捎擅娣e乘積AwAe法根據(jù)式（6）求出所要求的鐵芯：在上式中,Aw為磁芯窗口面積,Ae為磁芯截面積,Bw為磁芯工作磁感應強度,K0為窗口有效使用系數(shù),根據(jù)安規(guī)的要求和輸出路數(shù)決

14、定,一般為0.2-0.4,Kj為電流密度系數(shù),一般取395A/cm2。根據(jù)求得的AwAe值選擇合適的磁芯,一般盡量選擇窗口長寬比較大的磁芯,這樣磁芯的窗口有效使用系數(shù)較高,同時可以減小漏感。磁芯確定后就可以根據(jù)下式求出原邊的匝數(shù)：Np=LpIp2104/BwAe （7）再根據(jù)原邊與副邊的匝比關系求出副邊的匝數(shù),有時求的匝數(shù)不是整數(shù),這時應該調(diào)整某些參數(shù),使原邊和副邊的匝數(shù)合適。為了避免磁芯飽和,應該在磁回路中加入一個適當?shù)臍庀秎g,其值由下式計算：lg=0.4Np2Ae10-8/Lp （8）至此,單端反激開關電源變壓器的主要參數(shù)已經(jīng)確定,在設計完成后還要核算窗口面積是否夠大,變壓器的損耗和溫升

15、是否滿足要求。3.5 設計結(jié)果在本電源系統(tǒng)中已知的參數(shù)為輸入電流電壓85：265V,取0.8（由經(jīng)驗定）,fs=132KHz,Vmox=700V。電路采用斷續(xù)工作方式,經(jīng)過反復計算與實驗,設計的高頻變壓器的主要參數(shù)如下：原邊電感量Lp=390H;磁芯采用E125的鐵氧體磁芯;原副邊繞組Np=63,Ns1=2,Ns2=2,Ns3=3,Ns4=9,NB=7;繞組采用夾心繞法,其中,原邊繞組與副邊繞組之間用3層尼龍絕緣材料絕緣,副邊繞組各層之間用一層絕緣,由于副邊繞組的電流較大,考慮到電流的趨膚效應,所以副邊繞組采用了多股并繞。4 實驗數(shù)據(jù)及結(jié)論（1）電壓調(diào)整率：在額定負載情況下,當輸入交流電壓在8

16、5VAC-256VAC變化時,實測電路的電壓調(diào)整率如表2所示。（2）交叉調(diào)整率：在額定輸入電壓下（220VAC）,當負載在額定值的10%-100%變化時,實測電路的交叉調(diào)整率如表3所示。（3）負載調(diào)整率：在額定輸入電壓下（220VAC）,當負載在額定值的10%-100%變化時,實測電路的負載調(diào)整率與交叉調(diào)整率一樣。（4）效率：在額定輸入電壓及額定負載情況下,實測電路的效率=84%。在額定輸入電壓及額定負載情況下,整個伺服系統(tǒng)能穩(wěn)定運行,測出的電源主輸出如圖2所示,測量時實現(xiàn)了10倍的衰減,從圖2可以看出,當系統(tǒng)正常工作時,紋波峰值電壓為0.06V,紋波小于3%,該電源作為伺服系統(tǒng)的輔助電源,在門極伺服系統(tǒng)和主軸伺服系統(tǒng)已得到實際應用,工作可靠。TOPSwitch-G