玉树变压器厂

玉树变压器控制用小功率玉树变压器的设计     
永磁无刷玉树变压器是目前具有新原理、新工艺、新方法的新型玉树变压器，它是由永磁无刷玉树变压器本体（BLDCM）、转子位置传感器（RPS）和控制器（CU）三部分组成的机电一体化系统。该玉树变压器克服了有刷玉树变压器的诸多弊端，因此，近年来发展很快，已应用在很多领域。

控制用玉树变压器主要是给控制器的各种芯片提供电能，一般采用将系统外部输入电压经过DC/DC隔离式玉树变压器变换成多路电压输出后给控制器芯片供电。控制用玉树变压器功率较小，但要求简单可靠、稳定性好。传统的玉树变压器采用分立元器件，存在电路复杂、效率低、可靠性差等缺点。美国PI（Power?Integration）公司推出的TOPSwitch-Ⅱ系列玉树变压器专用集成芯片能很好地解决这些问题，它的工作频率为100kHz，外围电路简单、电磁干扰小、成本低廉，能有效地减小控制器的体积和重量，并增强系统工作的可靠性。因而本设计选用其中的TOP224Y?芯片构成单端反激式玉树变压器作为控制器玉树变压器。

1、单端反激式变换器基本工作原理[1]
单端反激式变换器又称电感储能式变换器，其玉树变压器兼有储能、隔离双重作用。图1为其电路原理图。所谓单端，指玉树变压器磁芯仅工作在其磁滞回线的一侧。当管S1?导通时，输入电压VI加在原边绕组LP两端，在玉树变压器原边电感线圈中储存能量，由于副边绕组相位为上负下正，使二极管D反偏而截止，副边回路无电流流过，此时玉树变压器能量转化为磁能存储在电感中。当S1截止时，原边电压极性反向，使副边电压极性反转过来，从而二极管D导通，储存在玉树变压器中的能量传递给负载，同时给输出电容C?充电，此时磁能转化为电能释放出来。当管重新导通时，负载电流由电容C?来提供，同时玉树变压器原边重新储能，如此反复。从以上电路分析可以看出，S1导通时，副边回路无电流；S1截止时，副边回路有电流，这就是称之为“反激”的含义。

图1?反激式变换器电路原理简图

2、电路原理与设计
2.1?TOP224Y的主要特性[2]
????TOP224Y?是TOPSwitch-域系列集成芯片中的一种，是典型的三端器件，三个管脚分别为控制极C、源极S?和漏极D，其内部MOSFET?耐压值高达700V。它具有宽电压输入范围（交流输入电压可达85～265V），AC/DC变换效率可达90％。它将功率管与其控制电路集成于一个芯片内，并具有自动复位、过热保护和过流保护等功能。由于它有很高的集成度和完善的保护电路，因而用它构成的玉树变压器外围元器件数目少、玉树变压器体积小、可靠性高，这些特点非常适合于用来设计小功率辅助玉树变压器。

图2?是其内部结构框图。当系统上电时，漏极D变为高电位，内部电流源开始向C?端供电且片内在0?位，给并接在C、S?极的外接电容（如图3?中的C2）充电，当充电到5.7V时，自动重启动电路关闭，片内跳到1?位，TOPSwitch?进入正常工作状态，输出PWM波驱动内部MOS?管工作。此后，IC改由反馈电路提供。控制端电压UC经过ZC、P沟道场效应管和电阻RE分压后，获得反馈电压Uf，加至误差放大器的反相输入端。误差放大器将Uf与5.7?V基准电压进行比较之后，输出误差电流If，当If流过电阻RE时，就在其上形成误差电压，以此和锯齿波电压进行比较，调节脉冲占空比。由以上分析可看出，TOPSwitch-Ⅱ属电流控制型玉树变压器，由控制端电压UC提供偏压，控制端电流IC调节占空比。

图2?TOP224Y内部结构框图2.2?主电路工作原理
图3?所示为本文设计的基于TOP224Y?的反激式控制器辅助玉树变压器电路图。输入电压为160～220V，输出为一路+5V电压和两路互相隔离的+15V电压，设计功率为5W。

图3?TOP224Y?构成的单端反激式玉树变压器电路

电路中D1为TVS（瞬态电压抑制器），D2?为超快恢复二极管，D1和D2组成箝位保护电路，用于对玉树变压器由于漏感而产生的尖峰电压进行箝位和吸收，从而保护功率MOSFET。副边电压经D3、C3?整流滤波后输出+15?V?电压给脉宽调制芯片供电并经线性芯片LM7805?降压后输出+5V?电压，给逻辑合成芯片供电，采用LM7805?不但省去了多绕一个+5V输出的副边绕组，而且输出电压性能稳定，纹波更小。

由于对输出电压的精度要求不是很高，故反馈电路采用配管的光耦反馈电路。电路利用输出电压的变化引起光耦中LED?的电流If?的变化来控制TOP224Y的控制极电流IC，从而调节占空比D，改变PWM?宽度，达到稳定输出电压的目的。比如，由于某种原因UO↑，则光耦LED的电流If↑,经光耦传输后，接收管电流ICE↑，故TOP224Y的IC↑，而IC?与占空比D?成反比关系，故D↓，导致UO↓，实现了；反之，UO↓→If↓→ICE↓→IC↓→D↑→UO↑，同样达到了的作用。

反馈绕组的输出电压经D4、C4?整流滤波后，给光耦的接收端提供偏置电压，同时作为另一路+15V?电压输出给专用驱动芯片供电。电路中C2是旁路电容，其作用有三个：滤除控制端上的尖峰电压；决定自动重启动频率；与R1?构成控制环路的补偿电路。

2.3?玉树变压器的设计[3]
????由于外围元器件少，所以设计的关键是玉树变压器。单端反激式玉树变压器工作在磁滞回线的第一象限，磁芯同时加有交流和，玉树变压器磁芯磁感应强度变化量ΔB?变化很小，为了防止磁芯饱和，一般采用加气隙的方法，这就增加了玉树变压器设计的难度。下面给出设计中玉树变压器参数的计算方法。

本设计反激式变换器采用不连续导通工作方式（DCM），取最大占空比Dmax＝0.4，玉树变压器选用锰锌铁氧体R2KB?磁芯，其导磁率高达2?000?滋i，饱和磁密BS?值为480mT（25℃时），经计算选用EI-22?磁芯，其有效截面积为42?mm2，取ΔB＝0.15T。
2.3.1?计算原边最大电流Ip

式中：Po为输出功率；
η为变换器效率；
Vin（min）为输入最小电压；
Dmax为最大占空比。
2.3.2?计算原边电感量Lp

式中：ton为管导通时间，ton=DT。
TOP224Y?的工作频率为变压器厂家100?kHz，?所以T=1/f=10μs。
2.3.3?计算气隙长度lg

式中：Ac为磁芯的有效截面积（mm2）；
Bm?为最大磁感应强度（T）。
2.3.4?计算原尧副边及反馈绕组匝数
原边匝数Np为

副边匝数Ns为

反馈绕组匝数：NF=Ns＝16??以上绕组匝数均为取整后的数值。
2.3.5?验算磁芯的ΔB

式中：滋0为真空磁导率，取4π×10-7H/m。
则：Bmax=1/2ΔB+B=225?mT。比较可得：Bmax<1/2Bs，
故前面选择的磁芯是合适的。
2.3.6?导线的选择和玉树变压器绕制
本设计由于原、副边电流均很小且考虑绕制方便，通过计算选用Φ0.31?mm?漆包线绕制玉树变压器。为了减少漏感，玉树变压器绕组应同轴分布，绕线采用夹层（三明治）绕法，即：一半原边绕组52?匝（里层）＋次级绕组16?匝＋另一半原边绕组53匝＋反馈绕组16?匝（外层）。各层间夹绝缘胶带，绕完后最外面再用绝缘胶带包扎，用环氧树脂胶将磁芯和骨架粘接牢靠。

2.4?反馈回路参数确定
????为了实现线性调节占空比，控制脚电流IC应在2～6mA之间，而IC是受光耦发光管电流If控制的，由于PC817?是线性光耦，二极管正向电流If在3?mA?左右时，三极管的集射电流Ice在4?mA?左右，而且集射电压在很宽的范围内线性变化。因此一般取PC817?发光管正向电流If为3mA。

本设计反馈电路中D8?采用击穿电压为13?V的管IN4743。由于光耦PC817?中LED?的正向压降为Uf≈1.2V，所以

IN4743?稳定电流IZ的典型值为20?mA，R2支路只能供给大约3mA?电流，为此，利用电阻R3提供另一路约17?mA的电流，同时作为一部分假负载用于改善轻负载时的性能。所以可求得R3阻值为
3、实验结果及分析
根据以上分析和计算，进行了样机的制作和试验，图4、图5?分别为输入电压为160V?时+5V和+15?V的输出电压波形，纹波电压小于3%。图6、图7?分别给出输入电压在160V和89.5V情况下，输出功率4.5W时TOP224Y?漏极电压Ud波形，可以看出，在输入电压大范围变化时，系统跨越断续模式和连续模式两种工作状态，并且测量输出电压稳定。实验结果表明，该玉树变压器工作在满载状态时，效率达81％，电压调整率、负载调整率和纹波满足控制电路对玉树变压器电压的要求，系统工作稳定。

4、结语
????无刷玉树变压器是机电一体化产品，其中控制器是该玉树变压器能否正常工作之关键，它决定着玉树变压器的电子换向规律、正/?反转可逆运行和功率能流的有效调控，因此，控制器用玉树变压器的设计也显得尤为重要。本文采用TOPSwitch?集成芯片所研制的小功率辅助玉树变压器经测试表明，其性能稳定、可靠性高且具有较强的抗干扰能力。