应用于交流伺服系统多路输出开关电源设计.docx

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应用于交流伺服系统多路输出开关电源设计

应用于交流伺服系统多路输出开关电源设计

　　摘要：

交流伺服系统是基于交流电机的伺服系统，其主要功能是使得系统的输出值能平稳而迅速地达到输入的预定值。

用以实现功率传输和电能变换的电源设备，是交流伺服系统正常工作的基础。

介绍了一种基于TOPSwitch-II集成芯片的反激式开关电源，分析了TOPSwitch-II的特性和工作原理，基于原理分析和实验调试，设计了一款功率为75W的样机，对其整流滤波电路、箝位保护电路、变压器、反馈电路的设计进行了重点论述，在永磁同步电机交流伺服控制器中的应用表明，电源设计满足伺服系统辅助电源的设计要求。

　　1.引言

　　与直流电机相比，交流电机不需要换向器和电刷，其结构更加简单。

调速范围宽、稳态精度高、动态响应快、转子惯量小、输出功率大等诸多优点，使得交流电机在工业生产中得到较广泛地应用[1]。

对伺服系统供电的电源性能的优劣，直接关系到整个系统的安全性和稳定性[2]。

开关电源与低效率的线性电源相比，因为其效率高、体积小、重量轻而受到广泛地关注[3]。

美国PI公司生产的开关电源专用集成芯片TOPSwitch-II，是一种将PWM和MOSFET合二为一的新型芯片，此系列芯片以其体积小、重量轻、价格低等优势，一经推出便得到广泛的应用，展示了良好的应用前景。

　　2.TOPSwitch-II工作原理

　　TOPSwitch-II芯片，将脉宽调制（PWM）控制系统的全部功能集成在一起，结构简单，只有三个引出端，分别为控制端C、源极S和漏极D[4]。

内含脉宽调制器、功率开关场效应管、自动偏置电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路,通过高频变压器使输出端与电网完全隔离,真正实现无工频变压器、隔离式开关电源单片集成化,使用安全可靠。

TOPSwitch-II是电流控制型开关电源，控制端提供偏压Uc，对电流Ic的大小进行控制，就能连续调节脉冲占空比，实现脉宽调制。

占空比D与控制端电流Ic呈线性关系（图1）。

　　由图1可知，在Ic=2.0~6.0mA范围内，当Ic↑时D↓，Ic↓时D↑。

ICD1是并在C-S极旁路电容的放电电流，为1.2mA或1.4mA;IB是外部偏置电流，

[$page]　　3.多路开关电源设计原理

　　TMS320F2812是控制板中的最重要的器件一。

它每秒可执行1.5亿次指令，具备卓越的数据处理能力。

对该芯片供电的优劣，直接影响控制板工作的可靠性。

由于芯片的供电电压是3.3V，考虑到控制的需要，总共需要两路+5V供电，分别是模拟5V和数字5V。

另外，控制板还有±15V供电的芯片。

IPM模块是交流伺服系统最重要的器件之一。

它一般使用IGBT作为功率开关元件，内藏电流传感器及驱动电路的集成结构，尤其适合于驱动电机的变频器和各种逆变电源。

本系统所使用的IPM，总共需要4路电气隔离的+15V电源。

综上所述，伺服系统需要+15V、-15V和+5V三种电压等级供电,故需要设计一个能够提供上述电压等级的辅助电源。

电源设计参数如下：

　　①输入电压：

VAC;

　　②输出电压：

U2~U9;

　　③最小功率：

Pomin;

　　④最大功率：

Pomax;

　　⑤转换效率：

η;

　　⑥开关频率：

fs;

　　⑦最大占空比：

Dmax。

　　根据如上设计技术指标，需要从如下几个部分进行。

　　3.1输入整流滤波电路

　　输入整流滤波电路采用Π型滤波（图2）：

其中C17、C18为差模电容，抑制差模干扰;C19、C20为共模电容，抑制共模干扰;滤波电感L1采用双线并绕。

采用不可控的整流桥，整流器件的额定电流有效值ID，必须满足在低电压输入时最大平均电流值，则：

V

（2）图2中，输入滤波电容C21的容值，可以按照比例系数1~3μF/W与输出最大功率Pomax的乘积进行取值。

P

（1）式中，VACmin为交流输入电压最小值;PF为功率因数，一般取0.5。

反向阻断电压VR，按高电压输入进行计算：

maxR1.252ACVVPF　　1D2（ACmin）omaxI

　　3.2变压器

　　单端反激式开关电源中的变压器，在开关管开通时，储存能量，阻断时释放能量而对负载供电[5]。

对于多路输出，如果要求每路输出电压均具有高精度，则每路均需要有闭环的稳压回路。

对于本设计的多路输出，U3输出这一路精度要求较高，对这一路输出需加闭环控制，其它几路要求相对不高，不需要闭环控制。

　　3.2.1变压器铁芯

　　一般选软磁铁氧体作为变压器铁芯，根据式

　　（3）~（4）确定铁芯型号。

　　81maxmax（）210（C）oONSQBKKjPT计（3）式中，S为铁芯的截面积（cm2）;Q为铁芯的窗口面积（cm2）。

Bs为选用的铁氧体饱和磁感应强度，考虑到高温时Bs会下降，选定工作最大磁感应强度Bm;TONmax为最大占空比Dmax对应的TOPSwitch-II最大导通时间;△B为铁芯磁感应强度的变化量，工作磁感应强为B，最小功率与最大功率的比值为K。

上述几个量相互之间的对应关系为：

　　式中，Kc为铁芯填充系数，Kμ为窗口利用系数，j为导线电流密度。

在确定铁芯型号时，铁芯实际的截面积与窗口面积乘积SeQe，应不小于SQ。

[$page]　　3.2.2原边电感和气隙

PT（7）3.2.3原副边绕组匝数计算及电感校核图2中，原副边绕组匝数N1~N10，按式（8）~（17）SBK（6）式中，f为工频交流电网频率;t为二极管的导通时间，一般取3ms。

铁芯所开气隙δ为：

8210max10（2e）oStPfCV（5）式（5）中，Uimin为变压器原边直流输入电压最小值，文献[6]指出，它与VACmin的关系为：

21111/2minmin21maxi2AC2（）

（2）oUUTPT　　反激式开关电源，当工作在连续工作模式时，电感电流临界连续，变压器原边绕组最小电感值L1min为：

1221minminminmax（2oS）iONL

（12）n（11）反馈绕组电压为U10，匝数为N10，考虑到超快速二极管压降U12D，同理得：

1110max1012maxmin（ON）（D）ONinTTUUTUnnnn（10）151617181914n114max415maxmin（ON）（D）ONinTTUUTU（9）U4~U9输出，匝数为N4～N9。

考虑到超快速二极管压降U15D，同理得：

11312max 25maxmin（ON）（D）ONinnTTUUTU（8）

（1）匝比计算：

U2~U3输出，匝数为N2、N3。

考虑到肖特基二极管压降U5D，由反激电路输入输出电压关系可以得到：

LS　　计算：

411/2101min10（e）N

UN（15）UUUn（14）14254152（D）（D）NNN（13）以U2为参考标准，计算其它副边绕组匝数及重新计算原边匝数：

1212N（n）N　　

（2）各绕组匝数计算：

123121N

V（21）式中，N’1为校核后的原边匝数。

3.4反馈电路光耦反馈电路实际由两部分构成：

①由反馈绕组N10、高频整流滤波器构成的非隔离式反馈电路，反馈电压U10为光敏晶体管提供偏压;②由取样电路、TL431、PC817构成的隔离式反馈电路，它将输出电压U3的变化量直接转换为控制电流Ic：

在Ic=2~6mA的范围内，输出电压U3减小时，经过光耦反馈电路使得Ic减小，D增大，U3增大，最终保证输出电压稳定。

4.八路开关电源设计及性能测试4.1参数设计考虑IPM和DSP及其他芯片的工作电流，功率选为75W。

由TOPSwitch-II最大输出功率与型号（20）12max2ACUN1.5U（N）（19）式中，γ为铜线的电导率。

在确定导线线径时，其值不能超过2△。

3.3箝位保护电路采用瞬态电压抑制器（TVS）和超快恢复二极管（SRD）组成的箝位电路。

电路的主要原理是利用TVS的瞬态电压抑制特性来抑制脉冲电压[7]：

当TVS管两端经受瞬间的高能量冲击时，它能以极高的速度使其阻抗骤然降低，同时吸收一个大电流，将其两端的电压箝位在一个预定的数值上，从而确保后面的电路元件免受瞬态高能量的冲击而损坏。

D11为TVS，它与D12（SRD）组成箝位电路，如图2所示。

D11承受的耐压值U11、D12承受的耐压值U12分别按式（20）、式（21）计算：

111221UfS（18）式（18）的计算结果应不小于式（5）的值。

同理，可计算出副边各个绕组最小电感值。

考虑高频集肤效应，当开关频率为fs时，铜线的透入深度△为：

1/20（s）NUN（17）式（13）~（17）实际取值时，因为匝数一般都取整数，故需对上述计算值进行进位取整（例如计算结果为7.13和7.83时，均取为8）。

（3）原边电感校核：

’81’21min1010cLUUUN4（16）1102510122（D）（D）NN9N8N7N6　　N5

　　故需对上述计算值进行进位取整（例如计算结果为的关系，选择TOP226Y。

按照上述分析，设计了基于TOP226Y的八路输出开关电源，其电路原理图，如图2所示，设计物理量及数值如表1所示：

表1八路输出开关电源设计物理量及数值

[$page]　　在绕制变压器时，选择了EI33型铁芯。

为了使得各输出绕组间紧密耦合，先绕N1的一半，再绕N10，之后依次绕N2~N9，最后绕N1的另一半。

变压器的各个绕组电感测量值和最小计算值如表2所示：

表2变压器各个绕组电感测量值与最小计算值比较

　　图2开关电源电路原理图

　　从表2可以看出，变压器各个绕组电感测量值均不小于最小计算值，满足设计要求。

另外，将副边绕联立式

（1）~（20）,结合表1，可以求得开关电源各个主要待定物理量（按公式排列顺序）如表3所示：

　　表3八路输出开关电源待定物理量及数值

[$page]　　4.2性能测试

　　交流输入电压给定187~253V时，对开关电源进行了上电试验。

为了证明钳位电路的设计,图3给出了交流输入电压为220V时，TOP226Y的D与S两端的电压应力波形，用差分探头20倍衰减，可以看到电压被TVS箝位在200V，使得TOP226Y得到了很好地保护。

图4~图11是交流输入电压为220V时，测得的八路输出电压波形，从图中可以看到各路输出较稳定，纹波小。

组短路，测得原边绕组漏感量为26.28μH，小于原边电感量5%。

综上所述，变压器能够正常工作。

[$page]　　5.结论

　　本文采用TOP226Y设计了一款多路输出的开关电源，对各个模块给出了理论分析和参数计算，最后通过实测结果分析，得到以下结论：

（1）TOPSwitch-II系列开关电源，与MOSFET及PWM控制器集成电路相比，有高集成度、最简外围电路等优点，降低了设计难度，缩短了开发周期。

（2）交流输入电压给定为220V±15%时，输出电压波动较小，能够满足交流伺服系统供电要求，验证了理论分析和参数设计的正确性。