1引言

真空鍍膜技術(shù)在近10幾年迅猛的發(fā)展中，已經(jīng)涉及到各個行業(yè)。尤其是磁控濺射技術(shù)在薄膜制備領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。磁控濺射電源就是針對磁控濺射環(huán)節(jié)所設(shè)計使用的開關(guān)電源，其性能直接關(guān)系到鍍膜產(chǎn)品的質(zhì)量，已成為衡量磁控濺射設(shè)備狀態(tài)的重要對象。因此，設(shè)計性能良好的電源就成為了行業(yè)研究的熱點問題。近幾年來，隨著電力電子功率變換技術(shù)的不斷進步和完善，pWM控制的開關(guān)電源以其極高的性價比獲得了廣泛的應(yīng)用。尤其是單片開關(guān)電源控制芯片獲得了長足的發(fā)展，TOpSWITCH系列單片電源芯片已將自啟動電路、功率MOSFET，pWM控制電路以及保護電路集成在一起，再通過小型高頻變壓器便可使輸出電壓與電網(wǎng)輸入完全隔離，不僅提高了電源的效率，簡化了外圍電路，而且降低了電源成本和體積，增強了電源的可靠性。

在對產(chǎn)品進行鍍膜的過程中，要對電壓的穩(wěn)定性進行檢測，而檢測系統(tǒng)要輸入穩(wěn)定、精確度高的±15V直流電源。由于受到體積限制，這兩路電源變換應(yīng)盡可能結(jié)構(gòu)簡單、輸入電壓范圍寬、可靠實用，同時滿足較好的隔離性(若采用UC3842芯片，其電源部分不僅成本提高，而且新增了整個控制系統(tǒng)的體積)。

為此，本文根據(jù)單端反激式開關(guān)電源原理，選擇了TOp204單片電源控制芯片作為核心器件，提出了一種可實用于代替UC3842芯片的開關(guān)電源。該開關(guān)電源不僅可以滿足檢測系統(tǒng)所需電壓，而且電路簡單、可靠、穩(wěn)壓性能好，開關(guān)電源部分所用器件少，從而使整個檢測系統(tǒng)的體積減小。

2電路設(shè)計

圖1為采用TOp204芯片構(gòu)建的單端反激式隔離開關(guān)穩(wěn)壓電源原理圖。輸入為（~220±15%）V交流市電，輸出雙路電壓分別為+15V，-15V直流電，其兩路輸出功率均為7.5W。

由于TOp204的高度集成性，設(shè)計工作重要圍繞其外部電路進行，同時結(jié)合檢測系統(tǒng)用電特點對其輸出電壓精確度進行分析。根據(jù)TOp204芯片的工作原理，其外圍電路可分為輸入整流濾波電路、漏極保護電路、變壓器、輸出整流濾波電路以及反饋電路五部分，下面將分別進行原理和功能分析。

2.1輸入整流濾波電路

220V的交流市電通過保險絲和8w的水泥電阻之后，進入EMI濾波器，它是由C1、Lt和C2組成。其中C1、C2是為了除去差模干擾，其值為0.1μF/630V。Lt為濾波線圈，采取雙線并繞，其值為33mH。整流電路采用反向耐壓大于400V，沖擊電流大于額定整流電流（7~10）倍的整流二極管，且整流二極管的穩(wěn)態(tài)電流容量應(yīng)為計算值的兩倍。由此選擇4個FR107二極管做整流橋。

電容+C1的值可根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗1μF/w來取，考慮到裕量，+C1=68μF/400V。由于220V交流市電在15%之間波動，故VACmax=253V，VACmin=187V。假設(shè)整流橋中二極管導(dǎo)通時間為Ton=3ms，由式(1)和式(2)可得輸入直流電壓最小值和最大值為：

式中：η1為系統(tǒng)效率，可選80%；fl為交流電網(wǎng)頻率；po為電源輸出功率。

2.2漏極嵌位電路

當(dāng)TOp204中的主功率MOSFET由導(dǎo)通變成截止時，在高頻變壓器T的初級繞組Ll上會出現(xiàn)尖峰電壓和感應(yīng)電壓，其中尖峰電壓是由于高頻變壓器存在漏感而形成，它與直流高壓和感應(yīng)電壓疊加后很容易損壞主功率管。為此，必須設(shè)計漏極嵌位電路，對尖峰電壓進行嵌位或吸收。

DZ和D5構(gòu)成的嵌位電路可防止高電壓對TOp204的損壞。其中DZ采用型號為p6KE200，反向擊穿電壓為220V的TVS（瞬態(tài)電壓抑制器)，D5采用型號為BYV36C，反向耐壓為700V的超快恢復(fù)二極管。

2.3變壓器設(shè)計

（1）鐵芯類型

根據(jù)TOp204芯片100kHz的工作頻率選用錳鋅鐵氧體。通常，輸出功率和磁芯截面積由相關(guān)經(jīng)驗公式計算，即

式中：Ae為變壓器磁芯的有效截面積(cm2)；po為電源的輸出功率(w)；η2為變壓器的效率，一般取85%。根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗公式的計算，可以選擇EI-22鐵氧體磁芯，其有效截面積大于Ae的計算值。

（2）計算最大占空比Dmax

首先必須確定次級反射到初級的電壓Vf，利用式(4)計算

Vf=Vmos×80%-Vdcmax(4)

其中：Vmos為TOp系列的MOS管耐壓為700V。

[page]再根據(jù)磁通伏秒積平衡的要求，即：Vdcmin×Dmax=Vf×(1-Dmax)，可得：

（3）計算變壓器初級自感Lp

由于所設(shè)計的反激式變換器工作在持續(xù)導(dǎo)通工作模式(CCM)中，所以，開關(guān)管閉合時的電流初始值和末值根據(jù)公式(5)可得:

式中:Ip1、Ip2分別為開關(guān)管閉合時的電流初始值、末值。根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗，一般選擇Ip2=(2～3)Ip1，不要讓Ip1與Ip2過于接近。因為電流的斜率不夠，容易出現(xiàn)振蕩，取3。

由此可得峰值電流為

變壓器的初級自感Lp根據(jù)式(6)計算

式中：fs是開關(guān)頻率；Lp是初級電感量，單位H。

（4)計算初、次級繞組匝數(shù)

利用式(7)、式(8)分別計算Np（初級繞組）、Ns（次級繞組）

式中：△B為感應(yīng)強度變化量，取值在(0.2~0.3)T之間，這里取0.25，單位是T；Ae是磁芯截面積，單位cm2；Lp是初級電感量，單位H；Ip是初級峰值電流，單位A；Vo是次級繞組輸出電壓；VD是輸出整流二極管壓降。各匝數(shù)選用如下。

初級繞組匝數(shù)Np為:Np=108.3匝，取109匝。

輸出電壓Vo1=+15V，則次級繞組匝數(shù)Ns1為:Ns1=8.5匝，取9匝。

輸出電壓Vo2=-15V，則次級繞組匝數(shù)Ns2為:Ns2=12.8匝，取13匝。

反饋電壓Vo3=+7.8V，則次級繞組匝數(shù)Ns3為:Ns3=3.7匝，取4匝。

（5)計算氣隙長度

氣隙長度由式（9）計算。

式中：lg為氣隙長度，單位為cm；Np為原邊匝數(shù)，Ae為磁芯的截面積，單位為cm2；Lp為初級電感量，單位為H。

計算得lg=0.0732cm。但在實際手工繞制變壓器時，由于氣隙太小還得根據(jù)實際測試結(jié)果進行調(diào)整，以達到所要求的結(jié)果。

2.4輸出整流濾波電路設(shè)計

輸出整流濾波電路由整流二極管和濾波電容構(gòu)成。輸出整流二極管的開關(guān)損耗占系統(tǒng)損耗的（5%~10%），是影響開關(guān)電源效率的重要因素，它包括正向?qū)〒p耗和反向恢復(fù)損耗。因此，為了提高開關(guān)電源的效率，在其他環(huán)節(jié)不再有可以挖掘的余地時，只能考慮如何進一步降低輸出整流器的導(dǎo)通電壓降。由于肖特基二極管導(dǎo)通時正向壓降較低,因此具有很低的正向?qū)〒p耗。此外，肖特基二極管反向恢復(fù)時間短,在降低反向恢復(fù)損耗以及消除輸出電壓中的紋波方面有明顯的性能優(yōu)勢，所以選用肖特基二極管作為整流二極管。選取的原則是，根據(jù)次級整流二極管的電壓應(yīng)力公式，即：。

經(jīng)計算，取型號為BYW29-200整流管，最大反向電壓VRRM=200V，平均電流IAV=8A。

此外，為減小共模抑制比，在輸出地與高壓側(cè)地之間接共模抑制電容，如圖1中的C5。

[page]2.5反饋回路的設(shè)計

開關(guān)電源反饋電路的形式依據(jù)輸出電壓的精度而定，其+15V的電壓輸出利用TL431、pC816和TOp204構(gòu)成光耦反饋端,可使電壓調(diào)整率達到±0.2%左右，大大提高了電壓精度。-15V的電壓輸出采用7915三端穩(wěn)壓器，可使穩(wěn)壓精度達到±0.4%左右。

在+15V一端，光耦合器pC816中的LED用來構(gòu)成反饋指示，R2為LED限流電阻，TL431作為外部誤差放大器。當(dāng)輸出電壓+15V變化時，經(jīng)過R3、R4分壓得到取樣電壓，與TL431中的2.5V帶隙基準(zhǔn)電壓進行比較，使1端電位發(fā)生變化，進而使LED工作電流發(fā)生變化，再通過pC816控制端電流，從而使TOp204的控制端電流發(fā)生變化，進而調(diào)節(jié)+15V電壓變化。C4是用來決定誤差放大端的頻率響應(yīng)。

在-15V一端，電壓的穩(wěn)壓過程由LM7915決定。LM7915的輸入端（變壓器的輸出端）為-23V，進過穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后得到-15V的電壓。L2起消除尖峰電流的用途。由于在+15V端TL431使得電壓的調(diào)整率達到±0.2%左右，這使得通過TOp204變壓器繞組端的調(diào)整范圍穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。為此，其他次級繞組的變化與+15V端相同。在-15V端在加入穩(wěn)壓器和L2后，進一步減小了電壓變化范圍。使-15V精確至±0.4%左右。

反饋繞組一端為TOp204的控制端供應(yīng)反饋電流，其最大允許電流為100mA。它的耐壓范圍在（5.7~9）V之間，設(shè)計當(dāng)中一般選用6V。R6為限流電阻。另外，+C6有三個用途：濾除控制端上的尖峰電壓；決定自動重啟頻率；和R5一起對控制回路進行補償。

3實驗結(jié)果

表1為當(dāng)輸入Vi（200V~300V）交流電時，輸出電壓V1（+15V）、V2（-15V）的變化情況。其中圖2（a）、圖2(b)分別是+15V和-15V的實際波形。

表1輸入電壓Vi時，輸出電壓V1和V2的實測值

由表1及圖2(a)和圖2(b)表明，該開關(guān)電源有效地減小了體積及元器件的數(shù)量，明顯的提高了工作效率。并且，此單端反激式隔離開關(guān)電源的電壓調(diào)整率、輸出電阻和紋波低，系統(tǒng)安全可靠，成本低廉，對綠色鍍膜電源檢測系統(tǒng)具有穩(wěn)定、精確的供電特性，符合實際測試及生產(chǎn)要。

注：由于示波器是使用時間較長出現(xiàn)較大誤差，因此，利用數(shù)字萬用表加以校正。

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