基于TOPSwitch-GX系列的伺服系统多输出开关电源

1 引言

多路输出开关电源广泛应用在各种复杂小功率电子系统中，就多路输出而言，通常只有输出电压低、输出电流变化范围大的一路作为主电路进行反馈调节控制，以保证在输入电压及负载变化时保持输出电压稳定，由于受变压器各个绕组间的漏感和绕组电阻等的影响，辅助输出电压随输出负载的变化而变化，通常，当主输出满载和辅助输出轻载时，辅助输出电压将升高，而当主输出轻载和辅助输出满时，辅助输出电压将降低，这就是多路输出的负载交叉调整率问题，笔者基于TOPSwitch-GX系列设计了一种多路输出开关电源，很好的解决了多路输出的负载交叉调整率问题，该电源在各种工况下都能稳定输出，主输出电压纹波小于3%，各路辅助输出纹波小于5%，负载交叉调整率小于5%，在交流伺服系统中，该电源给系统控制部分部及功率部分供电，开关电源的性能直接影响到交流伺服系统的伺服特性，如何设计一个稳定性能好、交叉调整率小、电压纹波小的开关电源是一个急需解决的问题。

2 TOPSwitch-GX系列简介

2.1 与TOPSwitch-FX的性能比较

TOPSwitch系列单片机开关电源是美国功率集成公司于上世纪90年代中期推出的新型高频开关电源，它是三端离线式PWM开关的英文缩写（Three Terminal Off Line PWM Switch）被誉为“顶级开关电源”。它的特点是将高频开关电源中的PWM控制器和MOSFET功率开关管集成在同一芯片上，是一种二合一器件。TOPSwitch-GX是该公司推出的第四代系列产品，除具备TOPSwitch-FX系列的全部优点外，它还将最大输出功率从75W提高到290W，适合构成大中功率的高效率，隔离式开关电源；将开关频率提高到132KHz，有助于减小高频变压器及整个开关电源的体积，适合作为伺服电机控制板的板载电源的主控器件，当开关电源负载很轻时，它能自动将开关频率从132KHz降低到30KHz（在半频模式下，则由66KHz降到15KHz）,可降低开关损耗，进一步提高电源效率，采用被称作EcoSmart的节能新技术，显著降低了在远程通/断模式下的功耗，当输入交流电压是230V时，功耗仅为160mW。

2.2 TOPSwitch-GX的工作原理

TOPSwitch-GX的内部主要由18个部分组成，与第三代TOPSwitch-FX系列的主要区别是在该系列的基础上作了一些改进，在原有的5个组成部分上新增加了3个单元电路，电流极限调节器也增加了软启动输出端；将频率抖动振荡器产生的开关频率提升到132KHz（全频模式）或66KHz（半频模式）；给频率抖动振荡器增加了一个“停止逻辑”（STOP LOGIC）电路，使只工作更为可靠。TOPSwitch-GX利用反馈电流Ic来调节占空比D，达到稳压目的，当输出电压U0降低时，经过光耦反馈电路使反馈电流Ic减小，占空比则增大，输出电压随之升高，最终使U0维持不变，同理，当输出电压Uo升高时，通过内部调节，也能使U0维持不变。

3 电源主电路设计方案

3.1控制板和功率板电源需求

电源是为交流伺服系统的控制板和功率板供电的，并以板载电源的形式作为控制板和功率板组成的一部分，系统对板载电源的要求是电压纹波小于5%，多路输出电压交叉调整率低于5%，在各种工况下能稳定输出，满足系统的供电需求，控制板和功率板电源地之间相互隔离，避免电磁干，要求电源能软启动，避免瞬间高压对系统产生不良影响，根据系统要求，设计的多路输出板载电源的各路输出电压，电流及作用如表1所示，其中+5V与+15V二路输出共地，+3.3V无与+5V二路输出共地，两组地彼此是相互电气隔离的。

3.2 电源主电路

板载电源主电路如图1所示。电源采用单端反激式拓扑结构，选用TOPSwitch-GX系列电路，当电源输入电流85V-265V时，交流电压U依次经过电磁干扰（EMI）滤波器、输入整流滤波器和系列软启动电路得到直流高压DCP，DCP经过R68接L端，能使极限电流随DCP升高而降低，使用箝位二极管和阻断二极管D1替代价格较高的TVS(瞬态电压抑制器）,用于吸收在TOP244Y关段时高频变压器漏感产生的尖峰电压，对漏极起到保护作用，次级电压经整流、滤波后变为多路输出，其中15V电源输出和辅助输出用的是快速恢复二极管，其他输出用的是肖特基二极管，其目的是减少整流管的损耗。

该电源电路采用了TOP244Y、PC817型光电耦合器及LMV431A型可调试精密并联稳压管，为减小高频变压器体积和增强磁场耦合程度，次级绕组采用了堆叠式绕法。LMV431A的内部参考电压为2.495V，输出电压经电位器和R65分压，可调电压2.5V（基准值）至37V（最大值）之间，R66和C75构成LMV431A的频率补偿网络。除3.3V主输出外，其余各路输出未加反馈，输出电压均由高频变压器的匝数比决定，另外，为了尽可能减少电磁干扰，在开关电源的输出侧接入共模扼流圈，以改善电磁噪声。

3.3 多路输出交叉调整率

对于多路输出，如果要求每路输出电压均具有高精度，则煤炉都应有独立的闭环稳压回路，如果只有一路输出是重负载，其他路输出的副载较轻，对于输出电压精度要求不是很严格，则只需给重负载所在的回路加反馈控制回路.本模块的4路输出中，由于+3.3V输出是最重要的负载，输出电流（最大3A），+5V、+5V（HVDD）+ 15V是集成电路的电源，允许电压在10%的范围变化，电流较小，所以只在+3.3V输出回路采用闭环稳压电路。在+5V、+5V（HVDD）、+15V所在回路7805型和7815型集成稳压器，由于反激式变压器本身就是耦合电感，所以采用这种高频反激式拓扑结构的变压器就能改善多路输出交叉调整率。

在这种开关电源的设计过程中，由于高频变压器参数对开关电源的性能影响很大，所以高频变压器的设计是很重要的，对于多路输出电源，其输出阻抗直接决定输出电压的变化，输出阻抗与各输出绕组间的漏感成正比，而初、次级绕组的耦合程度对输出阻抗也有很大影响，所以设计多路输出高频变压器要使各输出绕组间紧密耦合，且输出电流变化范围大的绕组（主输出绕组）与初级绕组要耦合得最好，以利于提高交叉调整率，通过实验与分析，对本系统中采用的变压器，绕组的最佳绕制顺序为先绕原边的一半，再绕副边绕组，最后绕原边的另外一半和偏置绕组。

漏感会导致变压器电压的尖峰，对于反激变压器，该尖峰直接引起辅助输出轻载时输出电压的攀升。如果能保持箝位电压的大小略高于次级反射电压，则多路输出反激式开关电源的交叉调整率能得到极大的改进，这里采用在变压器原边并联由一个箝位二极管和一个快恢复二极管构成的箝位电路的方法，这个箝位电路能限制尖峰电压攀升并吸收尖峰电压的能量，次级反射电压为135V，采用200V的P6KE型箝位二极管和FR1107型快恢复二极管。

采取上述措施后，多路输出电压的交叉调整率得到极大的改善，主输出电压纹波小于3%，各路辅助输出电压纹波小于5%，负载交叉调整率小于5%。

3.4 高频变压器的设计

单端反激式高频开关变压器是开关电源的关键，这种变压器实质上是一个耦合电感器，它要具有着储能、变压、传递能量等功能，笔者采用面积乘积法来设计高频变压器。

3.4.1 设计已知参数

这些参数由设计人员根据用户需求和电路的特点确定，包括输入电压Vin、输出电压Vout、每路输出的功率Pout、效率η、开关频率fs（或周期T），线路主开关管的耐压Vmos。

3.4.2 设计原理

在反激式变换器中，副边反射电压即反激电压Vf与输入电压之和不能高于主开关管的耐压，同时还要留有一定的裕量（此处假设为150V），反激电压由下式确定：

V_f=V_mos-V_inDCMax-150V （1）

式中，VinDCMax为变压器前端入的最小直流电压。

确定了反激电压之后，就可以由式（2）确定原、副边的匝比，即

N_p/N_s=V_f/V_out （2）

式中，Np为原边绕组匝数，为副边绕组匝数。

反激式电源的最大占空比DMax出现在最低输入电压、最大输出功率的状态下，根据稳态下变压器的磁平衡式可求出Dmax，即

V_inDCMaxD_Max=V_f（1-D_max） （3）

设在最大占空比时，当开关管开通时，原边电流为Ip1；当开关管关断时，原边电流上升到缝制电流Ip2。若Ip1为0，则说明变压器工作在断续模式，否则工作在连续模式，由能量守恒定律可以得到下式：

1/2（I_p1+I_p2）D_MaxV_inDCMax=P_out/η （4）

在一般连续模式设计中，令Ip2=3Ip1，这样就可以求出变压器的原边电流，由下式可以得到原边电感量Lp：

L_p=D_MaxV_inDCMax/f_sΔI_p （5）

对于连续模式，ΔI_p=I_p2-I_p1=2I_p1；对于断续模式，ΔIp=Ip2。

可由面积乘积AwAe法根据式（6）求出所要求的铁芯：

在上式中，Aw为磁芯窗口面积，Ae为磁芯截面积，Bw为磁芯工作磁感应强度，K0为窗口有效使用系数，根据安规的要求和输出路数决定，一般为0.2-0.4，Kj为电流密度系数，一般取395A/cm2。

根据求得的AwAe值选择合适的磁芯，一般尽量选择窗口长宽比较大的磁芯，这样磁芯的窗口有效使用系数较高，同时可以减小漏感。

磁芯确定后就可以根据下式求出原边的匝数：

N_p=L_pI_p210⁴/B_wA_e （7）

再根据原边与副边的匝比关系求出副边的匝数，有时求的匝数不是整数，这时应该调整某些参数，使原边和副边的匝数合适。

为了避免磁芯饱和，应该在磁回路中加入一个适当的气隙lg，其值由下式计算：

l_g=0.4πN_p²A_e10^-8/L_p （8）

至此，单端反激开关电源变压器的主要参数已经确定，在设计完成后还要核算窗口面积是否够大，变压器的损耗和温升是否满足要求。

3.5 设计结果

在本电源系统中已知的参数为输入电流电压85：265V，η取0.8（由经验定），fs=132KHz，Vmox=700V。

电路采用断续工作方式，经过反复计算与实验，设计的高频变压器的主要参数如下：

原边电感量Lp=390μH；磁芯采用E125的铁氧体磁芯；原副边绕组Np=63，Ns1=2，Ns2=2，Ns3=3，Ns4=9，NB=7；绕组采用夹心绕法，其中，原边绕组与副边绕组之间用3层尼龙绝缘材料绝缘，副边绕组各层之间用一层绝缘，由于副边绕组的电流较大，考虑到电流的趋肤效应，所以副边绕组采用了多股并绕。

4 实验数据及结论

（1）电压调整率：在额定负载情况下，当输入交流电压在85VAC-256VAC变化时，实测电路的电压调整率如表2所示。

（2）交叉调整率：在额定输入电压下（220VAC），当负载在额定值的10%-100%变化时，实测电路的交叉调整率如表3所示。

（3）负载调整率：在额定输入电压下（220VAC），当负载在额定值的10%-100%变化时，实测电路的负载调整率与交叉调整率一样。

（4）效率：在额定输入电压及额定负载情况下，实测电路的效率η=84%。

在额定输入电压及额定负载情况下，整个伺服系统能稳定运行，测出的电源主输出如图2所示，测量时实现了10倍的衰减，从图2可以看出，当系统正常工作时，纹波峰值电压为0.06V，纹波小于3%，该电源作为伺服系统的辅助电源，在门极伺服系统和主轴伺服系统已得到实际应用，工作可靠。

TOPSwitch-GX系列单片开关电源具有单片集成化、外围电路简单、性能指标最佳、无工频变压器、能完全实现电气隔离等显著特点，极大简化150W以下开关电源的设计和新产品的开发，能大大缩短开关电源的开发周期。多路输出电源被广泛应用于电机控制系统和其他电力电子设备中作为辅助电源，设计的多路输出电源经实际应用证明是可靠的，稍加改动就可应用在其他控制系统和电路中。