基于topswitch的反激变流器反馈电路的优化设计

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1、基于TOPSwitch的反激变流器反馈电路的优化设计摘要：介绍了利用TOPSwitch构成的反激变流器．井从传递函数补偿的角度分析了反馈电路的设计方法。通过反馈电路结构和参数的调整，变流器的输出电压纹波大幅度减小，抗干扰性能得到了加强，效率有所提高。关键词：单片开关电源；反激；反馈：传递函数0引言近年来，中小功率的开关电源向着单片集成化的方向发展。1997年，美国功率集成公司(PowerIntegrationInc，简称PI公司)推出三端单片电源TOPSwitch-II系列。该系列产品将MOSFET和控制电路集成在一起，不仅提高了电

2、源效率，而且使电源的体积和重量大为减小。由于TOP系列单片电源的集成度很高，外围电路十分简单，本文在试验的基础上分析并改进了反馈网络，验证了其对电路性能提高的有效性。1TOPSwitch开关电源反馈电路设计TOPSWitch的外围电路主要分为输入整流滤波电路、钳位保护电路、高频变压器、输出整流滤波电路和反馈电路5部分。其中前4部分电路设汁可以在PI公司的网站上找到专用的设计软件进行计算，电路的参数和器件型号都能满足TOPSwitch开关电源的需要。至于反馈电路，由于PI公司没有专用的工具，所以必须根据电路的实际情况进行设计。单片开关

3、电源的反馈形式虽然有很多，但可以归结为图1所示的4种基本形式。其中图1(a)为基本反馈电路，电路简单但稳压性能较差，负载调整率只能达到S1=±5％；图1(b)为改进型反馈电路，增加了一只稳压管D5，可以使S1改善到±2％；图1(c)为带稳压管的光耦反馈电路，相当于给TOPSwitch增加一级外部误差放大器，再与内部误差放大器配合使用，可以对输出电压进行调整，S1可到达±1％；图1(d)为带TL431的光耦反馈电路，用三端线性稳压管代替图l(c)中的稳压管D5，从而对输出电压进行精细调整，S1=±O.2％。设计开关电源时，一般根据实际

4、技术要求选择合适的反馈电路，本文就图l(d)的反馈形式进行分析。并给出较为实用的电路结构，图2是应用TOP224及精密反馈电路构成的反激变流器，交流通用输入(85~265V)，多路输出，要求主输出电压纹波在0．5％以内，负载调整率S1=±0.2％。对于图2电路，主要就是要确定R4、R5、R6及R7的值。电路利用输出电压与T1431构成的误差比较器，通过光耦PC817线性关系的电流变化控制TOPSwitch的Ic，从而改变PWM宽度，达到稳定输出电压的目的。从TOPSwicth的流入控制脚C的电流Ir与占空比D成反比关系，如图3所示。

5、为使PWM线性调节，控制脚电流Ir应在2~6mA之间，而Ic是受光耦二极管电流If控制的，由于光耦PC817是线性光耦，二极管正向电流If在3mA左右时，三极管的集射电流Ice在4mA左右，而且集射电压Vce在很宽的范围内线性变化。因此确定选PC817二极管正向电流If为3mA。从TL431的技术参数知，Vka在2.5~37V变化时，Ika可以在1~100mA内大范围变化，一般选20mA即可，既可以稳定工作，又能提供一部分死负载。由以上分析，可以得到一组关系式，有式中：Vf是PC817二极管压降；VR是TL43l参考端电压；Vc是输

6、出电压。根据以上计算得到：R4=10kΩ、R5=10k、R6=470Ω、R7=150Ω。使用以上参数构成的反激变流器，由于高频变压器漏感的存在以及PCB的布局不够合理，使得输出电压纹波较大，达到150mV(=3％)，所以必须对控制电路进行改进，进一步提高控制环路的增益和带宽，改善电路的瞬态响应，以降低输出纹波。TOPSwitch的控制函数有两个极点，第一个极点频率为7kHz，它是由内部阻容元件构成的低通滤波器决定的，其截止频率为7kHz，能滤掉开关噪声电压，而对误差电压只产生很小的相移。第二个极点频率为1.7kHz，是由自动重启动电

7、容C8(47μF)和控制端动态阻抗Zc决定的，该极点适用于开关电源在不连续模式且占空比D<50％情况下。反激变流器的控制框图如图4所示。在设计反馈网络前，假设PC817的电流传输比CTR=100％，而且因为TOPSwitch的控制是电流模式，所以PC817构成的传递环节不影响整个系统的频率响向应，令Kea=1，并且所有设计采样点在输出的小LC滤波环节之前。此时，开环传递函数为V1为V1折算到低压侧的原边直流电压；RL为负载电阻；L为高频变压器次级电感。代入电路参数得TOPSwitch的开关频率为100kHz，为了避免其引起过多的相移

8、，一般取带宽为其频率的l／4一1／5，我们取1／5为20kHz。则此时的相位φ=arctan(20／33)一arctan(20／14)-arctan(20／49)=-46°如果用单极点补偿[如图5(a)所示]，则带宽处的相位裕度为18