第4章控制系统硬件电路设计

4.1 高频开关控制电路的设计

高频开关电源包括主电路部分、控制电路部分、检测以及保护电路部分、其他电路部分。各部分主要功能如下所示。

(1)主电路:从交流电网输入,到直流输出的主要电路。主要包括输入电磁干扰滤波器、输入整流滤波器、高频变压器、功率开关管和输出整流滤波器。

(2)控制电路:包括输出端取样电路、反馈电路和脉宽调制器(或通/断控制电路) ，电压前馈电路。

(3)检测及保护电路:检测电路有过电流检测、过电压检测、欠电压检测、过热检测等;保护电路可分为过电流保护、过电压保护、欠电压保护、箝位保护、过热保护、自动重启动、软启动、缓启动等多种类型。

(4)其他电路:偏置电路、光耦合器等。 具体主电路图如图4-1所示。

图4-1 主电路图

根据课程要求设计由市电220V输入电源经过滤波整流，高频变压器，滤波整流，得到所需电压24V/1.5A的所需电压电流。电源结构图采用的是单端反激式的结构，通过TOP258PN来进行主控芯片进行PWM脉冲的主控IC，实现电压电流的双闭环控制，从而提高了负载调整率和电压调整率，同时实现稳定电压输出的目的，本课题采用工频50KHz，单路输出的设计。

技术指标如下：

(1)输入电源电压：AC85 – 265 V，输出范围：DC24V/1.5A。 (2)输入频率：50HZ，输出功率：36W，电源纹波(Vp-p)200mV。 (3)电源上其中1个指示灯，用作电源指示。 (4)具备输入过压和欠压等保护功能。

(5)要求设计必须符合安全、优质、可靠、经济、节能原则。

4.2 关键元器件的选择与设计

4.2.1 控制芯片TOP258PN

TOPSwitch-HX产品系列为高度集成的单片离线式开关IC，设计用于离线式电源。使用TOPSwitch-HX集成电路能够设计出输出功率高达195 W的电源，同时在所有负载条件下均具有高效率。TOPSwitch-HX还可以在低负载及待机(空载)工作条件下提供非常高的性能。TOPSwitch-HX产品系列能够使设计师设计出的满足新能效标准的电源。TOPSwitch-HX具有很多创新的专利技术，不仅能够设计出结构紧凑、经济高效的开关电源，同时还能缩短整体设计周期并降低系统成本。此外，使用TOPSwitch-HX 产品系列设计出的电源还具有可靠的系统性能以及增强的安全特性，例如输出过压保护、过载功率限制及迟滞热关断保护等。该系列中的每个产品都在一个硅片上集成了一个高压功率MOSFET及控制器。内部连接到漏极的高压电流源在启动阶段提供偏置电流，从而省去了外部启动电路。内部振荡器具有频率调制(抖动)特性，可以降低EMI。此外，IC还集成了一些功能用于系统级的保护。自动重启动功能可以在过载、输出短路或开环条件下限制MOSFET、变压器及输出二极管中的功率耗散。自动恢复迟滞热关断功能还可以在温度超过安全限值时禁止MOSFET开关。可设定的UV/OV检测功能

允许在电压跌落或浪涌条件下启动和关断电源，而不会出现不良波动。Power Integrations的EcoSmart技术令使用TOPSwitch-HX产品系列设计的电源，其空载功耗小于200 mW，并在整个输入电压及负载范围内保持恒定的效率。TOPSwitch-HX系列解决方案能够轻松满足如加州能源委员会(CEC)、European Code of Conduct 及能源之星等能效标准。

对于本次设计采用TOP258PN元器件是根据TOPSwitch系列曲线中输入电压范围和输入功率的大小，通过曲线查找确定的。调节外部限流点降低的降低因数Kt可以利用提高效率TOPSwitch-HX系列曲线图如图4-2所示。

图4-2 TOPSwitch系列曲线图

Kt连接在M引脚和源极引脚之间的电阻值来确定。

Kt?外部设定后的实际Ilimit(4-1)

Ilimit默认值其中0.3?Kt?1.0 如果没有要求Kt设为1.0。

Ilimit(min)=次级Ilimit(min)?Kt(4-2) Ilimit(max)=次级Ilimit(max)?Kt(4-3) 当Kt=1.0，应满足IP?0.96?Ilimit(min)； 当Kt?1.0,应满足IP?0.94?Ilimit(min)；

如有必要则选择更大型号的芯片。

4.2.2 TOP258PN内部结构和引脚功能

TOP258PN的内部功能图如图4-3所示。

图4-3 TOP258PN 内部功能图

TOP258PN的引脚图如图4-4所示。

图4-4 TOP258PN引脚图

多功能M引脚：是过压(OV)、欠压(UV)、降低DC MAX 的线电压前馈、输出过压保护(OVP)、外部流限调节、远程开/关和器件重置的输入引脚。连接至源极引脚则禁用此引脚的所有功能并使TOP258PN以简单的三端模式工作。

控制C引脚：误差放大器及反馈电流的输入脚，用于占空比控制。与内部并联调整器相连接，提供正常工作时的内部偏置电流。也用作电源旁路和自动重启动/补偿电容的连接点。

漏极D引脚：高压功率MOSFET漏极引脚。通过内部的开关高压电流源提供启动偏置电流。漏极电流的内部流限检测点。漏极电流的内部流限检测点。