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。
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