多路隔离输出全数字伺服系统开关电源设计.Sta

发布时间：2021-06-10

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第 1 O卷第 6期20 0 7年 6月

奄涤艘石 I 1日P OW E S P Y r HN OGI S AND P I AT ONS R UP L EC OL E AP L C I

Vo _O No6 I1 .

J n 0 7 u e2 0

多路隔离输出全数字伺服系统开关电源设计孙祖勇，陈志辉 (南京航空航天大学航空电源重点实验室，江苏南京 2 0 1 ) 106摘要：据设计全数字永磁交流伺服系统的需要，用 P w r nert n公司生产的开关电源专根使 o e It ai g o

用集成芯片 T P 2Y,计了单端反激式多输出辅助开关电源。使用该芯片设计的小功率开关电 O 24设

源，可大大减少外围电路，降低成本，高可靠性，提同时，可以改善电源的电磁兼容性能。重点论述了开关电源的电路设计及高频变压器的设计。本辅助电源稍经改动也可以直接用在其他电机控制系统中。

关键词： O 2 4 T P 2 Y;单端反激；开关电源；高频变压器；全数字永磁交流伺服系统

De i n o wi h n we u p y w t u t— u p t sg fS t i g Po r S p l h M li o t u c i— f rFu l d g t lS r o S se o l i i e v y tm - aS UN - o g CHEN hi h i Zu y n, Z— u

( eoP w r ct hC n r N nigU i r t o eo at s n s o at s A r o e i c e t, aj nv s y f rn ui dA t n ui, S e e n e i A ca r c N nig J n s 2 0 1, C ia aj i gu 10 6 n a hn )Ab t a t T 2 4 i tr r td i u t r p o u e e p c al fr s th n p we s p l b P we n e r t n sr c: OP 2 Y n e g ae cr i a e r d c d s e i l o wi i g o r u p y y o r I t ga i c s y c o C mp n,w ih i u e o d sg y a k s th n o r f r f l— ii l P M e v y tm.D sg i g lw p we o a y h c s s d t e in f b c wi i g p we o u l d gt MS s r o s se l c a e i

n n o o r s i h n o e u p y wi u h i t ga e ic i a e r a e p rsc u t n o t i c e s e ib l y b tas a w t i g p w rs p l t s c n e rtd c ru t c n d c e s a t o n d c s, n r a e rl i t, u lo c n c h s a a i i rv h MC c a a tr t s T e s ic i g p we ic i d s n a d h g— r q e c r n fr r d sg r i l mp o e te E h r ce si . h w t h n o rc r ut e i n ih f u n y t some e in ae ma ny i c g e a d s r e . h ss th n o e l s d t t e trc n r l y tm. e c b d T i wi i gp w ri a s u e o h rmoo o t se i c s o o os

Kewod: O 2 4;y aks ihn o e p l S S; i -r unyt s r e;u— i t MS e oss m y r s T P 2 Y f b c;wt ig w r u py(P )hg f q e c a fm rfl dga P M sr t l c p s h e r o n l il v ye

中图分类号： N 6 T 8

文献标识码： A

文章编号：2 9 2 1 ( 0 7 0— 0 3 0 0 1— 7 3 2 0 )6 0 3— 5

O引言交流伺服系统的应用越来越广泛，其中全数字式交流伺服系统更符合数字化控制模式的潮

的新型集成芯片。与普通线性稳压电源相比其优

点为体积小、重量轻、价格低；采用它制作高频开关电源，不仅简化了电路，同时可以改善电源的电

磁兼容性能，输出电压稳定，电压纹波小，而且降低了制作成本。

流，调试使用十分简单，控制灵活，倍受青睐，其中对伺服系统供电的开关电源性能的优劣直接关系到整个系统的安全性和稳定性。美国 P公司 I

1 T P wth I工作原理 O S i—I cT P 2Y主要包括： O 24控制电压源、隙基准电带

(o e t ao )产的开关电源专用集成芯片 Pw rI e t n生 ng i r

T P 2Y O 2 4,是一种将 P WM和 MO F T S E合二为一收稿日期：0 6 1 - 0 20— 12

压源

、振荡器、并联调整器/误差放大器、脉宽调整器、门极驱动和输出级、流保护电路、热保护过过

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第 1 0卷第 6期20 0 7年 6月

奄涤艘石 J l lP OW E S P Y E R UP L T CHNOL GI S AND AP L CA I O E P I T ONS

Vo .0 No6 1 . 1

J n O 7 u e2 o

及上电复位电路、关断/自动重启电路和高压电流源等 1 0个部分组成。 O 24 T P2 Y属于电流控制型开

21 T P wt . O S i h的选取 c

关电源，它将 P WM控制系统的全部功能均集成在三端芯片中，内含脉宽调制器、 O F T自动偏置 M SE、电路、护电路、压启动电路和环路补偿电路。保高通过高频变压器使输出端与电网完全隔离，真正实现了无工频变压器。在宽范围输入时，适配

由于控制板电源的供电功率 3,O 24 6 T P 2Y W

构成的反激电源的输出功率可达 4满足功率 5 w,要求。T P 2 Y的工作频率 10 H; O 24 0 k z最大允许电流 t1 内部 MO F T开关管的最大阻断= .A; 5 SE电压= 0 V。 70

8—6 V交流电， 52 5但最大输出功率要降低 4%, 0输出频率范围为 4—4 z 7 4 0。开关频率的典型值为 H10k z允许范围为 9 H l0H, 0 H, 0k z l z占空比调节范围是 1%一7 . 6%t 7 1。 T P 2Y的基本工作原理是通过改变控制端 O 24

22输入滤波电容 G选取 . 电容用于保持整流后的直流电压平稳，假设系统允许 2%的脉动，二极管导通时间为 3m, 0 s 则 C值可由式 ( ) 1决定，即,— 2, tn一2 3 (.100 3) r、 1 P( 。 d ) 0 x 6 00— . 0 1一

电流，的大小， c能连续调节脉冲占空比，实现脉宽

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调制(wM) P。在， 2—.m c . 6 A的范围内，,f=0 0当 c —D; 反之』。一Df

16 F 0

式中：为交流输入电压的周期； t为周期内整流二极管的导通时间；

2电路设计全数字伺服系统主要包括控制板和功率板，控制板上需要供电的是以 T 30 F4 7

MS 2L 20 A为核心的数字电路，以及电流电压采样，护电路的模保拟电路。为了保证控制板稳定性，制板的 5控 V供电，分为模拟 5 V,数字 5 V,它们的地在主控板 P B布线时分开处理，但在控制板电源的输入端 C用磁珠单点连接，这样可以隔离数字部分的高频

为系统的最低输入电压；为电容两端的最小电压与最大电压之比。

通常情况下根据 P公司提供的设计文档， I在 8— 6 U i r 1的情况下输入电容 C取 2 3 5 25 V( nv s ) ea。—倍的 (位为 F。所以本电路选择 10/单 ) 0 F

40, 5 V可以满足电路要求。23 E滤波器和吸收电路 . MI

信号，保证模拟电路地的干净。此外，控制板还需要± 5 1电的芯片。 V供交流电源输入线上存在两种骚扰，通常低频段

功率板的供电主要供给 IM,本系统所使用 P的 IM总共需 4路电气隔离的 1 V电源，臂侧 P 5上 3路分别接电气隔离的 1电源，每路的工作电 5 V流为 3 1 mA, 8下臂侧共用一路 1 V电源， 5工作电流为 1 5 0 6 mA。IM正常工作范围 1. 65 P 35 .v, 1 建议工作在 1右工作为宜，以辅助电源设 5 v左所

差模骚扰和高频段共模骚扰。在交流电源输入端采用适当的 E滤波器，可以很有效地抑制电磁干 MI扰。E滤波器如图 1 MI所示，差模电容用来短路差模噪声。电流共模扼流圈是由两股等同并且按同方向绕制在一个磁芯上的线圈组成。如果两个线圈之

间的磁耦合非常紧密，那么漏感就会很小，电源在线频率范围内差模电抗将会变得很小圈。开关管或二极管在开通和关断过程中，由于存

计为 4路独立的 1 V电源。 5 控制板和功率板电源地之间相互隔离，避免电磁干扰。下面将以控制板电源的设计为例，如图 1所示，介绍基于 T P wth激式 D/C电源电路 O Si反 c CD设计和参数设计。() 1输入(输出 2)

在变压器漏感和线路电感，二极管存储电容和分布电容，易在开关管漏源两端和二极管上产生尖峰容

电压，在二极管中产生反向尖峰电流。高频变压器的初级必须设置保护电路，确保 T Pwt O S ih不被损 c坏。本电路

采用 T STas n ot e upesr V ( rni t l g prso) e V a S吸收尖峰电压， T S上的电压超过一定幅度时，当 V 器件迅速导通，而将浪涌能量泄放掉，从并将浪涌电压的幅度限制在一定的幅度 (0 。 20 V)

交流 8— 6 V 525。l5V/ A;= 2±5V/ 2A; Vo4 w=+1 0. 5V/ 2A。

()率 3功

共计 3 W。 6

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★电懑设计——

多路隔离输出全数字伺服系统开关电源设计二0F3 a/ _ T v I 0 2 _/5r

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图 I电源电路原理图

2 反馈电路设计 . 4

模拟正负 5正负 l V的负载相对较轻，用闭 v、 5不环稳压回路，果电压不满足要求，如在设计电路板时已经预留出稳压芯片的位置，可以加稳压芯片稳压。

反馈回路的形式由输出电压精度决定，由于主反馈是为 D P控制板提供电压，以本电路用 S所的“光耦+ L 3”以把输出电压精度控制在±%。 T 4 l可 l

光耦工作在线性状态，还起隔离作用。了反正过为压保护和过流，择 C R范围接近 10选 T 0%的光耦。本电路选用 P 8 7 C R为 8%- 6%。 C 1,T 0 10

31设计的参数 .() 1输入 9 V,呲 3 5 O =7 V

(当交流输入 8~ 6 5 25 V) ( )出 V+/;反馈路 ) 2输 = 5 2 ( V,Vo=+ 2A;￣ 5V/ a Vc4 F 5V/ 2A; t='1 0. a

3变压器的设计单端反激式高频变压器参数对开关电源的性能影响很大，它是开关电源的关键，种变压器实这

反馈：=2 cl V。() 3功率共计 3 W。 6

质上是一个耦合电感器，它具有储能、变压、传递能量等功能。

( )关频率 4开 ( )大占空比 5最一

. 0 k z户10 H。 D x04则最长导通时间：￣= -; 尸=.P。 O2 0

对于多路输出，如果要求每路输出电压均具

4x1 6 0- s

有高精度，则每路都应有独立的闭环稳压回路。如果只有一路输出是重负载，其他路输出的负载较

( )小功率 6最

轻，对于输

出电压精度要求不是很严格，则只需给重负载所在的回路加反馈控制回路。这里对于数

() 7效率 t 8%。 r O 7= 32变压器的选型 .

字5 v供电的精度要求高，负载相对其他负载重，

选用软磁铁氧体，为变压器磁芯。根据作

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第 l卷第 6 0期20 0 7年 6月

奄涤教石嗣P OW ER S P L EC U P Y T HNOL OGI S AND A P I AT O E P L C I NS

Vo .O No6 I1 .

Jn 0 7 u e2 0

式 () 2确定铁芯型号，即

以 5V为参考标准，考虑到肖特基的压降

S面o××= QI 1=T等 0 U￣ s瓣× ( 12 0)。式中： J s为铁芯截面积 c; m ) Q为铁芯窗 E面积 c。 l m) 选用的软磁铁氧体的饱和磁感应强度 B= s

0, -V计算各匝比/为 3 Z。=

丽

所以5 V的匝数Ⅳ为 2N2=N—

I:l/

5匝

0 1, . T考虑到高温时会下降，选一般取 0~ 5 . 608,大磁感应强度 B=1B= . 5设在 .最 =12 sO2 T; 5期间铁芯磁感应强度的变化量为△工作磁感应 ,强度为，取电流临界连续时输出功率 P K o￣= P=1 , B=+/ - 1= . 5,= .15,, 5则 IB AB2B+ 0 5 T B 0 2 T n:( 2 2A= KB 2 O 2 O 2 5 0 0 5 B 2= x .x .= . 8 T。 1 2.

n 1 2

考虑到 1出用的超快恢复二极管，的 5V输它

压降取 0 V则 ., 7:

±: 2

Ⅳ2 5 03 + .

所以取胙 1。 5匝

10 H, 0 z k岫= mT 5,最大输出功率 D=s s=

反馈绕组输出为 1 V,以 2所为 1,移 1组为 1 5匝偏 2 V绕 2匝。考虑集肤效应，当应超过 04 m .2 m。.

1。 2匝

P咖= 6效率田 8%。 o 3 w,= 0取铁填充系数 K=, 1 cl窗： 3 利用系数 K -, 03导线电流密 j4 0/m2= 0 Ac,则

所以求得：原边 8 7匝，副边 5为 5匝，5 v 1v 10k z铜丝的线径不 0 H,

S=P=o=×0 Q￣Tm 1。 2丽 N=—

2x 6 5 O

x xl￣ 3×1 8 0.41c 0= 4 m4 8 0 0● x1 0●x 0 _ 5x x 40 _ 8 3 ●● ●‘u——

在绕制多路输出高频变压器要使各输出绕组间紧密耦合，输出电流变化范围大的绕组 (且主输出绕组 )与初级绕组要耦合得最好，以利于提高交叉调整率。通过实验与分析，绕组的最佳绕制顺序为先绕原边的一半，再绕偏置绕组，然后绕副边绕组，最后绕原边的另外一半。

选用 E 3/57该铁芯的 J。S lS SS E 01/, s x==,。。 x为铁心有效截面积；氧体的=;。以从磁芯铁 1J可 s的参数表里查到， A= . 0c 即 06 ; 0 mQ A=2 . 2=￣ 148 c; 7mJ×= .x . 8= . 9 m; s Q 06 2 07 。 147 4 c

Sx= . 9 04 1 m; cQ 07> . 4 4c

4试验结论和分析图 2图 4就是辅助电源在实际工作时的波~

符合要求，可以选用 E 3。 E 033原边电感和气隙 -

形，图 2的是电路工作在交流输入 10 0 V下的输出波形和 T P Wi c O S t h的 D与 S两端的波形， h可

对于电路工作在连续状态，为保证其正常工作，原边电感必须保证一个最小的取值，电流临界连续时原边电感为() 3=—

以看到 5 V输出波形工作稳定，纹波小，用差分探头两倍衰减，可以看到电压被 T S钳位到 20 V 0 V,可以很好的保护 T P wth O S i。图 3 c的是在交流 20 2V输入下的输出和波形，随着交流输入的变化，占空比 D在变小，出电压稳定，波略有变化，输纹完全可以满足伺服系统宽范围输入。同理， 4的图

l ( x xl 0- .=1 1mH 0 _ xl s×0 8 . _ (2 0 2 6 x3●● u……… I-

计算铁心上所开气隙的长度为m eo T一 2 K 1 0一

为 IM下半桥供电的 1 V电源， 10 P 5在 1 V交流输入时同样可以很稳定的工作，在 2 0 2 V交流输入时，出稳定，输纹波变化很小。() 4、

xl - 0. rx 6xl 0 s 4, 3 r 2 O2 O8 O6 2 2 l _ 0.5 2 m x x x x 15x 08=… 2 2 0… c 2 _ 8….

. .

3计算原副边绕组匝数 . 4原边匝数Ⅳ。为

5结语 T Pwt一1系列单片开关电源和 MO F T O S ih I c SE

、。// =、

。7有单片集成、围电路简单、能指标最佳、=匝 8外性无工

功率开关及 P WM集成控制器的开关电源相比，具

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