1.引言

與直流電機(jī)相比，交流電機(jī)不要換向器和電刷，其結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。調(diào)速范圍寬、穩(wěn)態(tài)精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、轉(zhuǎn)子慣量小、輸出功率大等諸多優(yōu)點(diǎn)，使得交流電機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中得到較廣泛地應(yīng)用[1]。對(duì)伺服系統(tǒng)供電的電源性能的優(yōu)劣，直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性[2]。開(kāi)關(guān)電源與低效率的線性電源相比，因?yàn)槠湫矢摺Ⅲw積小、重量輕而受到廣泛地關(guān)注[3]。美國(guó)pI公司生產(chǎn)的開(kāi)關(guān)電源專(zhuān)用集成芯片TOpSwitch-II，是一種將pWM和MOSFET合二為一的新型芯片，此系列芯片以其體積小、重量輕、價(jià)格低等優(yōu)勢(shì)，一經(jīng)推出便得到廣泛的應(yīng)用，展示了良好的應(yīng)用前景。

2.TOpSwitch-II工作原理

TOpSwitch-II芯片，將脈寬調(diào)制(pWM)控制系統(tǒng)的全部功能集成在一起，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只有三個(gè)引出端，分別為控制端C、源極S和漏極D[4]。內(nèi)含脈寬調(diào)制器、功率開(kāi)關(guān)場(chǎng)效應(yīng)管、自動(dòng)偏置電路、保護(hù)電路、高壓?jiǎn)?dòng)電路和環(huán)路補(bǔ)償電路,通過(guò)高頻變壓器使輸出端與電網(wǎng)完全隔離,真正實(shí)現(xiàn)無(wú)工頻變壓器、隔離式開(kāi)關(guān)電源單片集成化,使用安全可靠。TOpSwitch-II是電流控制型開(kāi)關(guān)電源，控制端供應(yīng)偏壓Uc，對(duì)電流Ic的大小進(jìn)行控制，就能持續(xù)調(diào)節(jié)脈沖占空比，實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制。占空比D與控制端電流Ic呈線性關(guān)系(圖1)。

由圖1可知，在Ic=2.0~6.0mA范圍內(nèi)，當(dāng)Ic↑時(shí)D↓，Ic↓時(shí)D↑。ICD1是并在C-S極旁路電容的放電電流，為1.2mA或1.4mA;IB是外部偏置電流，

3.多路開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)原理

TMS320F2812是控制板中的最重要的器件一。它每秒可執(zhí)行1.5億次指令，具備卓越的數(shù)據(jù)處理能力。對(duì)該芯片供電的優(yōu)劣，直接影響控制板工作的可靠性。由于芯片的供電電壓是3.3V，考慮到控制的要，總共要兩路+5V供電，分別是模擬5V和數(shù)字5V。另外，控制板還有±15V供電的芯片。IpM模塊是交流伺服系統(tǒng)最重要的器件之一。它一般使用IGBT作為功率開(kāi)關(guān)元件，內(nèi)藏電流傳感器及驅(qū)動(dòng)電路的集成結(jié)構(gòu)，尤其適合于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的變頻器和各種逆變電源。本系統(tǒng)所使用的IpM，總共要4路電氣隔離的+15V電源。綜上所述，伺服系統(tǒng)要+15V、-15V和+5V三種電壓等級(jí)供電,故要設(shè)計(jì)一個(gè)能夠供應(yīng)上述電壓等級(jí)的輔助電源。電源設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

①輸入電壓：VAC;

②輸出電壓：U2~U9;

③最小功率：pomin;

④最大功率：pomax;

⑤轉(zhuǎn)換效率：η;

⑥開(kāi)關(guān)頻率：fs;

⑦最大占空比：Dmax。

根據(jù)如上設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)，要從如下幾個(gè)部分進(jìn)行。

3.1輸入整流濾波電路

輸入整流濾波電路采用Π型濾波(圖2)：其中C17、C18為差模電容，抑制差模干擾;C19、C20為共模電容，抑制共模干擾;濾波電感L1采用雙線并繞。采用不可控的整流橋，整流器件的額定電流有效值ID，必須滿足在低電壓輸入時(shí)最大平均電流值，

則：

1D2(ACmin)omaxI??VpF?p(1)式中，VACmin為交流輸入電壓最小值;pF為功率因數(shù)，一般取0.5。反向阻斷電壓VR，按高電壓輸入進(jìn)行計(jì)算：maxR1.252ACV??V(2)圖2中，輸入濾波電容C21的容值，可以按照比例系數(shù)1~3μF/W與輸出最大功率pomax的乘積進(jìn)行取值。

3.2變壓器

單端反激式開(kāi)關(guān)電源中的變壓器，在開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)，儲(chǔ)存能量，阻斷時(shí)釋放能量而對(duì)負(fù)載供電[5]。關(guān)于多路輸出，假如要求每路輸出電壓均具有高精度，則每路均要有閉環(huán)的穩(wěn)壓回路。關(guān)于本設(shè)計(jì)的多路輸出，U3輸出這一路精度要求較高，對(duì)這一路輸出需加閉環(huán)控制，其它幾路要求相對(duì)不高，不要閉環(huán)控制。

3.2.1變壓器鐵芯

一般選軟磁鐵氧體作為變壓器鐵芯，根據(jù)式

(3)~(4)確定鐵芯型號(hào)。

81maxmax()210(C)oONSQBKKjpT計(jì)(3)式中，S為鐵芯的截面積(cm2);Q為鐵芯的窗口面積(cm2)。Bs為選用的鐵氧體飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，考慮到高溫時(shí)Bs會(huì)下降，選定工作最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm;TONmax為最大占空比Dmax對(duì)應(yīng)的TOpSwitch-II最大導(dǎo)通時(shí)間;△B為鐵芯磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化量，工作磁感應(yīng)強(qiáng)為B，最小功率與最大功率的比值為K。上述幾個(gè)量相互之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：

式中，Kc為鐵芯填充系數(shù)，Kμ為窗口利用系數(shù)，j為導(dǎo)線電流密度。在確定鐵芯型號(hào)時(shí)，鐵芯實(shí)際的截面積與窗口面積乘積SeQe，應(yīng)不小于SQ。

3.2.2原邊電感和氣隙

反激式開(kāi)關(guān)電源，當(dāng)工作在持續(xù)工作模式時(shí)，電感電流臨界持續(xù)，變壓器原邊繞組最小電感值L1min為：1221minminminmax(2oS)iONL?pT?UT?(5)式(5)中，Uimin為變壓器原邊直流輸入電壓最小值，文獻(xiàn)[6]指出，它與VACmin的關(guān)系為：21111/2minmin21maxi2AC2()(2)oU???V??C??f??tp??(6)式中，f為工頻交流電網(wǎng)頻率;t為二極管的導(dǎo)通時(shí)間，一般取3ms。鐵芯所開(kāi)氣隙δ為：8210max10(2e)oS??K?SB??pT(7)3.2.3原副邊繞組匝數(shù)計(jì)算及電感校核圖2中，原副邊繞組匝數(shù)N1~N10，按式(8)~(17)

計(jì)算：411/2101min10(e)N????S?L???(8)(1)匝比計(jì)算：U2~U3輸出，匝數(shù)為N2、N3。考慮到肖特基二極管壓降U5D，由反激電路輸入輸出電壓關(guān)系可以得到：?11312max25maxmin(ON)(D)ONinnTTUUTU?????(9)U4~U9輸出，匝數(shù)為N4～N9?？紤]到超快速二極管壓降U15D，同理得：?114max415maxmin(ON)(D)ONinTTUUTU????(10)151617181914n?n?n?n?n?n(11)反饋繞組電壓為U10，匝數(shù)為N10，考慮到超快速二極管壓降U12D，同理得：1110max1012maxmin(ON)(D)ONinTTUUTU????(12)

(2)各繞組匝數(shù)計(jì)算：123121N?N?(n)?N(13)以U2為參考標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算其它副邊繞組匝數(shù)及重新計(jì)算原邊匝數(shù)：1212N?N?n(14)14254152(D)(D)N?U?U?U?UN(15)

N5?N6?N7?N8?N9?N4(16)1102510122(D)(D)N?U?U?U?UN(17)式(13)~(17)實(shí)際取值時(shí)，因?yàn)樵褦?shù)一般都取整數(shù)，故需對(duì)上述計(jì)算值進(jìn)行進(jìn)位取整(例如計(jì)算結(jié)果為7.13和7.83時(shí)，均取為8)。(3)原邊電感校核：'81'21min1010cL????N?S(18)式(18)的計(jì)算結(jié)果應(yīng)不小于式(5)的值。同理，可計(jì)算出副邊各個(gè)繞組最小電感值?？紤]高頻集膚效應(yīng)，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率為fs時(shí)，銅線的透入深度△為：1/20(s)???f???(19)式中，γ為銅線的電導(dǎo)率。在確定導(dǎo)線線徑時(shí)，其值不能超過(guò)2△。3.3箝位保護(hù)電路采用瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)和超快恢復(fù)二極管(SRD)組成的箝位電路。電路的重要原理是利用TVS的瞬態(tài)電壓抑制特性來(lái)抑制脈沖電壓[7]：當(dāng)TVS管兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時(shí)，它能以極高的速度使其阻抗驟然降低，同時(shí)吸收一個(gè)大電流，將其兩端的電壓箝位在一個(gè)預(yù)定的數(shù)值上，從而確保后面的電路元件免受瞬態(tài)高能量的沖擊而損壞。D11為T(mén)VS，它與D12(SRD)組成箝位電路，如圖2所示。D11承受的耐壓值U11、D12承受的耐壓值U12分別按式(20)、式(21)計(jì)算：111221U?1.5U(N)?N?(20)12max2ACU?V(21)式中，N'1為校核后的原邊匝數(shù)。3.4反饋電路光耦反饋電路實(shí)際由兩部分構(gòu)成：①由反饋繞組N10、高頻整流濾波器構(gòu)成的非隔離式反饋電路，反饋電壓U10為光敏晶體管供應(yīng)偏壓;②由取樣電路、TL431、pC817構(gòu)成的隔離式反饋電路，它將輸出電壓U3的變化量直接轉(zhuǎn)換為控制電流Ic：在Ic=2~6mA的范圍內(nèi)，輸出電壓U3減小時(shí)，經(jīng)過(guò)光耦反饋電路使得Ic減小，D增大，U3增大，最終保證輸出電壓穩(wěn)定。4.八路開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)及性能測(cè)試4.1參數(shù)設(shè)計(jì)考慮IpM和DSp及其他芯片的工作電流，功率選為75W。由TOpSwitch-II最大輸出功率與型號(hào)

故需對(duì)上述計(jì)算值進(jìn)行進(jìn)位取整(例如計(jì)算結(jié)果為

的關(guān)系，選擇TOp226Y。按照上述分析，設(shè)計(jì)了基于TOp226Y的八路輸出開(kāi)關(guān)電源，其電路原理圖，如圖2所示，設(shè)計(jì)物理量及數(shù)值如表1所示：表1八路輸出開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)物理量及數(shù)值

在繞制變壓器時(shí)，選擇了EI33型鐵芯。為了使得各輸出繞組間緊密耦合，先繞N1的一半，再繞N10，之后依次繞N2~N9，最后繞N1的另一半。變壓器的各個(gè)繞組電感測(cè)量值和最小計(jì)算值如表2所示：表2變壓器各個(gè)繞組電感測(cè)量值與最小計(jì)算值比較

圖2開(kāi)關(guān)電源電路原理圖

從表2可以看出，變壓器各個(gè)繞組電感測(cè)量值均不小于最小計(jì)算值，滿足設(shè)計(jì)要求。另外，將副邊繞聯(lián)立式(1)~(20),結(jié)合表1，可以求得開(kāi)關(guān)電源各個(gè)重要待定物理量(按公式排列順序)如表3所示：

表3八路輸出開(kāi)關(guān)電源待定物理量及數(shù)值

4.2性能測(cè)試

交流輸入電壓給定187~253V時(shí)，對(duì)開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行了上電試驗(yàn)。為了證明鉗位電路的設(shè)計(jì),圖3給出了交流輸入電壓為220V時(shí)，TOp226Y的D與S兩端的電壓應(yīng)力波形，用差分探頭20倍衰減，可以看到電壓被TVS箝位在200V，使得TOp226Y得到了很好地保護(hù)。圖4~圖11是交流輸入電壓為220V時(shí)，測(cè)得的八路輸出電壓波形，從圖中可以看到各路輸出較穩(wěn)定，紋波小。組短路，測(cè)得原邊繞組漏感量為26.28μH，小于原邊電感量5%。綜上所述，變壓器能夠正常工作。

5.結(jié)論

本文采用TOp226Y設(shè)計(jì)了一款多路輸出的開(kāi)關(guān)電源，對(duì)各個(gè)模塊給出了理論分析和參數(shù)計(jì)算，最后通過(guò)實(shí)測(cè)結(jié)果分析，得到以下結(jié)論：

(1)TOpSwitch-II系列開(kāi)關(guān)電源，與MOSFET及pWM控制器集成電路相比，有高集成度、最簡(jiǎn)外圍電路等優(yōu)點(diǎn)，降低了設(shè)計(jì)難度，縮短了開(kāi)發(fā)周期。

(2)交流輸入電壓給定為220V±15%時(shí)，輸出電壓波動(dòng)較小，能夠滿足交流伺服系統(tǒng)供電要求，驗(yàn)證了理論分析和參數(shù)設(shè)計(jì)的正確性。

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作者簡(jiǎn)介：

余偉(1989-)