摘要：根據雷達物位計原理樣機的設計規格需求，設計了一個(gè)以TOPSwitchHX系列單片開(kāi)關(guān)電源為控制芯片的單端反激式電源，介紹了該單片開(kāi)關(guān)電源的特點(diǎn)、優(yōu)勢和隔離式穩壓開(kāi)關(guān)電源的完整設計方案，并給出了變壓器的設計和電路板的布局。

現代科技發(fā)展中，電源在整個(gè)電子設備的運作中起著(zhù)舉足輕重的作用。電源的可靠性反映了電源質(zhì)量的好壞，因此，人們對電源的要求也逐漸提高。開(kāi)關(guān)電源作為一種重要的應用技術(shù)，其與線(xiàn)性穩壓電源在原理上有本質(zhì)的區別，開(kāi)關(guān)電源是通過(guò)控制取樣電壓和改變開(kāi)關(guān)管導通或截止時(shí)間來(lái)實(shí)現穩定的電壓輸出的，和線(xiàn)性電源相比，開(kāi)關(guān)電源具有體積小、重量更輕、轉換效率高、更省電、自身抗干擾性強及電壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。

針對雷達物位計原理樣機電源輸出的功率不高、體積小、效率高、寬輸入范圍及高穩定性等設計要求，選擇美國功率集成公司（Pl公司）推出的TOPSwitch-HX系列開(kāi)關(guān)電源，TOPSwitchHX以經(jīng)濟、高效的方式將一個(gè)700V的功率MOSFET、高壓開(kāi)關(guān)電流源、PWM控制器、振蕩器、熱關(guān)斷保護電路和故障保護電路及其他控制電路集成在一個(gè)單片器件內，減少了一些輔助的設計，從而有效降低了電源的體積。筆者設計的單端反激式開(kāi)關(guān)電源采用了TOPSwitchHX系列芯片中的TOP258PN，其電源整體輸出電壓士15V，輸出功率60W，開(kāi)關(guān)頻率66kHz，當輸出電源工作在220V交流時(shí)輸出的效率在80%以上。

1TOPSwitch-HX系列開(kāi)關(guān)電源的性能特點(diǎn)”

TOPSwitch-HX采用增強的EcoSmart技術(shù)的集成離線(xiàn)式開(kāi)關(guān)，具有先進(jìn)的特性和擴展的功率范圍。采用TOPSwitch器件的開(kāi)關(guān)電源與采用分立的MOSFET功率開(kāi)關(guān)和PWM集成控制器的開(kāi)關(guān)電源相比，具有以下特點(diǎn)：

a.成本低廉。使用TOPSwitch器件，比用其他開(kāi)關(guān)電源節省很多個(gè)元器件，從而使產(chǎn)品的體積和重量減少；TOPSwitch因采用了源極調節板和可控的MOSFET通態(tài)驅動(dòng)，故電磁干擾（EMI）和EMI濾波器的成本明顯降低。

b.系統效率高。TOPSwitch系采用CMOS工藝制作，并在芯片中集成了盡可能多的功能，故與采用二極管或分立的功率開(kāi)關(guān)電路相比，偏置電流顯著(zhù)降低；開(kāi)關(guān)電源所需的功能集成于芯片中后，外部的電流傳感電阻和初始啟動(dòng)偏壓電流的電路均可除去，提高了系統效率。

本設計采用TOPSwitchHX系列的PN（DIP-8）封裝，引腳如圖1所示，共有7個(gè)引出腳，其中M腳為多功能引腳，實(shí)現過(guò)壓（OV）及欠壓（UV）等多項功能；C腳為控制引腳，是誤差放大器、反饋電流的輸入腳，用于占空比的控制；D腳為漏極引腳，是高壓功率MOSFET漏極引腳；右側4個(gè)S

腳為源極引腳，是功率MOSFET的源極連接點(diǎn)，用于高壓功率的回路，也是初級控制電路的公共點(diǎn)和參考點(diǎn)。

2硬件設計

2.1EMI濾波和浪涌保護電路EMI濾波和浪涌保護的電路設計如圖2所示，在電路中F1是過(guò)流熔斷絲，當電流過(guò)大時(shí)，由于熔斷絲的電阻大，產(chǎn)生的熱量很大，因此會(huì )導致熔斷絲熔斷，起到過(guò)流保護的作用；RV1是壓敏電阻，起防護作用，應對電力供應系統的瞬時(shí)電壓突變對電路的傷害，當高壓到來(lái)時(shí)，壓敏電阻的電阻降低將電流予以分流，防止受到過(guò)大的瞬時(shí)電壓的破壞或干擾，保護了敏感的電子組件；RT1是熱敏電阻，起到熱保護的作用；C1是X電容，是安規電源的一種，一方面對電源和對差模干擾起濾波作用，另一方面它也用于安全防范，電源要通過(guò)3C認證，就強制必須要有的電容，并且可以有效地保護后續電路；L1為共模扼流圈，它一方面濾除信號線(xiàn)上的共模電磁干擾，另一方面又要抑制本身不向外發(fā)出電磁干擾，避免影響同一電磁環(huán)境下其他電子設備的正常工作。

2.2整流濾波電路

整流濾波的電路設計如圖3所示，該設計采

用的是橋式整流。由 4 個(gè) 1N4006 二極管構成，它的峰值反向電壓可達 800V，最大平均整流電流0． 8 ～ 1． 0A，滿(mǎn)足需求。其中輸入的直流電壓的最小值和最大值分別為

Vmin = ∑2 VAcmin－ 20 =102． 0V、Vmax 槡= 2 VACmax= 374． 8V其中數值 20 為紋波電壓。

2.3PI外圍電路及籍位保護電路在如圖4所示的主控制電路中，電阻R3、R4

相互串聯(lián)，一邊主要接在TOP258PN的M引腳上，另一邊接電壓檢測端L，從而實(shí)現了欠壓、過(guò)壓和線(xiàn)電壓前饋的線(xiàn)電壓檢測作用。欠壓和過(guò)壓分別設置為91~111V和430~470V之間。當超過(guò)了設置好的過(guò)壓時(shí)，TOP258PN內部MOSFET關(guān)斷，由于沒(méi)有反射電壓和漏電感尖峰電壓疊加到漏極，經(jīng)整流的直流高壓抗浪涌沖擊的能力增大到MOSFET的額定電壓（700V），可以防止電涌等事件發(fā)生。而二極管D5和電阻R1、R2、電容C3與D引腳連接，它們組成了鉗位電路，用以吸收高頻變壓器初級繞組產(chǎn)生的尖峰電壓和反射電壓，保護TOP258PN中的MOSFET不受損壞，D5選擇反向耐壓為800V的快速二極管FR106。當MOSFET導通時(shí)，D5截止，鉗位電路不起作用。在MOSFET截止瞬間，D5導通，尖峰電壓被電阻R1、R2、電容C3吸收。如果反饋電路失效，電源

輸出端的電壓可能會(huì )超過(guò)穩壓限制范圍。輸出端增加的電壓同時(shí)也會(huì )導致偏置繞組輸出端電壓的增加。齊納二極管VR1將擊穿，電流將流入TOPSwitch的引腳M，TOPSwitch啟動(dòng)遲滯過(guò)壓保護，嘗試自動(dòng)重啟動(dòng)。C5為控制端的旁路電容，它不僅能濾除控制端上的尖峰電壓，還決定自動(dòng)重啟頻率，并與R5一起對控制環(huán)路進(jìn)行補償。

2.4電壓反饋回路

電壓反饋電路直接關(guān)系到開(kāi)關(guān)電源的穩壓性能。本設計采用的LTV817A型線(xiàn)性光耦合器和TL431型可調式精密并聯(lián)穩壓器組成高精度電壓反饋電路。次級繞組4、5端上產(chǎn)出的電壓經(jīng)VD6、C10整流濾波后給光耦中接收三極管的集電極供電。采用光耦合器能將輸出電壓與電網(wǎng)隔離，其發(fā)射極電流送至TOP258PN的控制端，來(lái)調整占空比。本電路選擇+15V為主輸出作為反饋電壓進(jìn)行設計，其中穩壓值是由TL431的基準電壓（VaEF）、R13、R14的分壓比來(lái)確定的。R10為L(cháng)ED的限流電阻，C17為相位補償電容。對于電壓反饋，其中最主要的參數設計是R12、R13、

（V可根據LTV817A手冊確定為1.2V）。之后在Va=81.6V（DC），滿(mǎn)載條件下對控制環(huán)路進(jìn)行仿真，得到伯德圖（圖5）。

2.5高頻變壓器設計

2.5.1選磁芯根據功率容量A，法計算：

式中A.——磁芯有效截面積，cm2；A?！判究衫@導線(xiàn)的窗口面積，cm2；f.—一變壓器的工作頻率；K——磁芯的填充系數，取1旦；Km——窗口填充系數，一般選取0.2~

0.4；P，——標稱(chēng)輸出功率，W；n——變壓器的效率；

——線(xiàn)圈導線(xiàn)的電流密度，一般選取為2~3A/mm2。

圖 5 反饋控制回路的振幅相位圖

根據計算選擇El28磁芯，它的磁芯截面積A.=0.83cm2，材料為PC40。2.5.2一次電感量

其中，Dm.n取值不能超過(guò)0.5，大的占空比可以降低初級電流的有效值和MOS的導通損耗，但是根據伏秒法則，初級占空比大了，次級的肯定會(huì )小，那么次級的峰值電流會(huì )變大，電流有效值變大，會(huì )導致輸出紋波變大。所以，一般單端反激拓撲的占空比選取不要超過(guò)0.5。

脈動(dòng)電流（一次電流的變化量）和一次電感量L。的計算如下：

若Kkp取值為1，則L，為289uH，即一次電感在289~1150uH之間選取，本設計選擇460uH。

2.5.3初、次級繞組匝數

計算一次匝數N。：

當AB取0.15T時(shí)，計算N。為55匝，因此本設計選擇AWG24導線(xiàn)繞48匝。

計算二次繞組匝數N.：

考慮到漆包線(xiàn)的銅損，±15V二次繞組匝數N.和反饋繞組N.分別選取為AWG27導線(xiàn)繞7匝和AWG25導線(xiàn)繞8匝。

2.5.4氣隙長(cháng)度

氣隙長(cháng)度的計算公式為：

2.6TOPSwitchHX的電路板布局考慮PCB電源板布線(xiàn)如圖6所示，其中斜線(xiàn)陰影部分是最大化鋪銅去，主要是為了散熱。其布局建議為：將控制引腳去耦電容直接跨接在控制引腳和源極引腳間；電阻R1和R2應置于盡可能接近M引腳的位置；之后到M引腳的PCB走線(xiàn)遠離漏極位及偏置走線(xiàn)等噪聲節點(diǎn)；偏置繞組和偏置電容應通過(guò)專(zhuān)用走線(xiàn)直接返回至輸入電容。

3實(shí)驗結果及分析

在實(shí)驗中，分別記錄了當輸入同在220V時(shí)負載不同的主輸出情況下的數據，和在不同交流輸入電壓下負載相同的主輸出情況下的數據，見(jiàn)表1、2。

通過(guò)實(shí)驗數據可以很明顯地看出，隨著(zhù)負載的加大，輸出電壓的變化是很微小的，只有毫米級。當輸入電壓有所增大時(shí)，主輸出電壓的變化呈現小幅度的上升，但基本上很穩定，維持在15V

4結束語(yǔ)

分離計量方案有操作與維護安全方便、投資較低、有權威部門(mén)認證及精確度較高等特點(diǎn)，是經(jīng)典、成熟、公認的單井測試計量方案；多相不分離計量方案的投資較高、維護費用高、無(wú)權威部門(mén)認證、準確度存在疑慮，操作人員存在危險畏懼心理，尚處在研制開(kāi)發(fā)到規?；唐窇玫某醪诫A段，產(chǎn)品耐用性、安全性、可操作性、使用效果和宣傳效果的一致程度尚待長(cháng)期檢驗。