CN106301029A - 一种开关电源电路结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种开关电源电路，具有成本低、设计周期短的效果。本发明的一种开关电源电路结构包括：电源芯片(U18)、滤波整流电路、高频变压器(T1)、整流滤波稳压输出电路、反馈偏置电路和光电耦合电路(19)等；高频变压器(T1)的原边与电源芯片(U18)连接，在电源芯片U18自启动作用下使变压器副边得到高频矩形波电压，再经过整流滤波稳压输出电路得到稳定的直流电压；反馈偏置电路对输出电压进行电压采样，通过光电耦合电路(U19)将电压信号转换为电流控制信号，并输入到电源芯片(U18)的电流控制端，再经电源芯片(U18)内部采样电阻电压采样，最后在内部比较器和振荡器的共同作用下进行脉宽调制，触发内部开关管按一定占空比的频率导通。

Description

一种开关电源电路结构
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种开关电源电路结构。
背景技术
永磁直线同步电机(permanent magnet synchronous linear motor，PMLSM)构造的伺服系统具有响应快、推力大及精度高等优点，使得其在相关工业伺服系统中得到广泛应用。伺服驱动电路是伺服系统的关键环节，正常工作时需要多路隔离稳压直流电源为电路供电(5路+15V、1路-15V、1路+5V)。供电电源是永磁直线同步电机伺服驱动电路的核心单元，其精度和稳定性直接影响到永磁直线同步电机驱动电路的正常工作和控制效果。传统的直流稳压电源体积大、效率低，严重制约了永磁直线同步电机伺服驱动电路的应用，最终影响了永磁直线同步电机的推广和应用。
现有的开关电源中，控制方式通常采用的是脉宽调制(PWM)方式，其常用PWM型开关电源芯片有MC3520、SG3524、UC3842等。如UC3842需要额外提供一个高频开功率开关管(MOSFET)才能实现开关电源功能，其控制环路较为复杂，而且需设计外围振荡电路，导致其设计周期长、设计成本较高。
传统的直流线性稳压电源发展的最早、它的应用也最广泛，但其体积大，效率低，可靠性差，操作使用不方便，并且没有很好的自我保护能力，严重制约了永磁直线同步电机的应用。针对传统稳压电源不足亟待提供一种新型的开关电源解决上述技术问题。
发明内容
本发明提供了一种开关电源电路，具有成本低、设计周期短的效果。基于TOP247Y的7路输出单端反激式开关电源，其利用体积较小的高频变压器来实现电压变换和电网隔离，并利用高集成度的控制芯片，可实现高精度、高效率、高可靠性、体积小并且电路简单。实验测试结果表明，该开关电源能很好地满足伺服驱动电路的供电要求，工作稳定，效率高。
一种开关电源电路结构，包括：
TOP247Y电源芯片U18、滤波整流电路、钳位电路、高频变压器T1、整流滤波稳压输出电路、偏置整流输出电路、反馈偏置电路和光电耦合电路U19；
所述高频变压器的原边与TOP247Y电源芯片U18连接，所述高频变压器按反激式工作原理将原边能量传递到副边，在TOP247Y电源芯片U18自启动作用下使变压器副边得到高频矩形波电压，再经过整流滤波稳压输出电路得到稳定的直流电压；
反馈偏置电路对输出电压进行电压采样，通过光电耦合电路U19将电压信号转换为电流控制信号，并输入到TOP247Y电源芯片U18的电流控制端，再经TOP247Y电源芯片U18内部采样电阻电压采样，最后在内部比较器和振荡器的共同作用下进行脉宽调制，触发内部MOSFET开关管按一定占空比的频率导通；
当输出电压降低时：UO↓→UF↑→IC↓→D↑→UO↑；当输出电压升高时：UO↑→UF↓→IC↑→D↓→UO↓，经过上述调节使输出保持稳定值。
可选的，
所述滤波整流电路包括EMI滤波电路和整流桥D21；
EMI滤波电路包括：第三十六电容C66、第三十五电容C65、第八电阻R73、共模扼流线圈T2、第三十四电容C63、第三十三电容C62；
共模扼流线圈T2与第三十五电容C65和第三十六电容C66并联；
共模扼流线圈T2的一个输出端的一条支路与整流桥D21的一个输入端连接，另一条支路串联第三十三电容C62并接地；
共模扼流线圈T2的另一输出端的一条支路与整流桥D21的另一个输入端连接，另一条支路串联第三十四电容C63并接地；
共模扼流线圈T2与第八电阻R73并联；
共模扼流线圈T2与熔断器F1串联；
AC输入经过所述EMI滤波电路，再进过整流桥D21整流，产生整流电压进入整流滤波线；
整流滤波线包括两个支路：其中第一条支路连接第六电容C27的正极并接地，第六电容C27为整流滤波电容；
第二条支路串联第九电阻R18接入TOP247Y电源芯片U18。
可选的，
所述整流滤波线还包括第三个支路，第三条支路接入钳位电路，将瞬态峰值电压钳位在预定电压值，防止叠加电压过高击穿电源芯片U18；
钳位电路包括第一电阻R16、第二电阻R17、第一电容C22、第三二极管D2和第六二极管D4；
钳位电路的输出端接入高频变压器T1的原边正极；
第三二极管D2的阴极与第六二极管D4的阴极连接，第三二极管D2的阳极接入高频变压器T1的原边正极；
第六二极管D4的阳极接入高频变压器T1的原边负极；
第三二极管D2为稳压二极管，且分别与第一电容C22、第一电阻R16和第二电阻R17并联。
可选的，
高频变压器T1还与第三十九电容C21并联。
可选的，
高频变压器T1具有8组副边，其中7组副边各对应一路整流滤波稳压输出电路；
第八组副变为反馈偏置绕组，且对应偏置整流输出电路，为光电耦合器三极管侧提供偏置电压，第7组副边输出端经过反馈偏置电路对输出电压进行电压采样，通过光电耦器件将电压信号转换为电流控制信号输入到TOP247Y电源芯片U18的电流控制端。
可选的，
偏置整流输出电路包括：第二二极管D10和第三十电容C52；
第八组副边的正极输入端与第二二极管D10的阳极连接，负极接地；
第二二极管D10与三十电容C52串联。
可选的，
第一路整流滤波稳压输出电路包括：第一二极管D1、第二电容C23、第四电容C25、第一整流滤波稳压输出电路芯片U11、第五电容C26和第三电容C24；
第一组副边的正极输入端与第一二极管D1的阳极连接，负极接地；
第一二极管D1的阴极接入电第一整流滤波稳压输出电路芯片U11的输入端，第一整流滤波稳压输出电路芯片U11输出端作为第一路电压输出；
第一路整流滤波稳压输出电路芯片U11分别与第二电容C 23、第四电容C 25、第五电容C 26、第三电容C 24并联；
第二电容C 23为电解电容，其阴极接地，同样的，第三电容C24为电解电容，其阴极接地；
第二路整流滤波稳压输出电路包括：第五二极管D3、第七电容C28、第九电容C30、第二整流滤波稳压输出电路芯片U12、第十电容C31、第八电容C29；
第二组副边的正极输入端与第五二极管D3的阳极连接，负极接地；
第五二极管D5的阴极接入第二整流滤波稳压输出电路芯片U12的输入端，第二整流滤波稳压输出电路芯片U12输出端作为第二路电压输出；
第二路整流滤波稳压输出电路芯片U12分别与第七电容C28、第九电容C30、第十电容C31和第八电容C29并联；
第七电容C28为电解电容，其阴极接地，同样的，第八电容C29为电解电容，其阴极接地；
第三路整流滤波稳压输出电路包括：第七二极管D5、第十一电容C32、第十三电容C34、第三整流滤波稳压输出电路芯片U13、第十四电容C35和第十二电容C33；
第三组副边的正极输入端与第七二极管D5的阳极连接，负极接地；
第七二极管D5的阴极接入第三整流滤波稳压输出电路芯片U13的输入端，第三路整流滤波稳压输出电路芯片U13输出端作为第三路电压输出；
第三整流滤波稳压输出电路芯片U13分别与第十一电容C32、第十三电容C34、第十四电容C35和第十二电容C33并联；
其中，第十一电容C32和第十二电容C33为电解电容，阴极均接地；
第四路整流滤波稳压输出电路包括：第八二极管D6、第十五电容C36、第十七电容C38、第四整流滤波稳压输出电路芯片U14、第十八电容C39第十六电容C37；
第四组副边的正极输入端与第八二极管D6的阳极连接，负极接地；
第八二极管D6的阴极接入第四路整流滤波稳压输出电路芯片U14的输入端，第四路整流滤波稳压输出电路芯片U14输出端作为第四路电压输出；
第四路整流滤波稳压输出电路芯片U14分别与第十五电容C36、第十七电容C38、第十八电容C39和第十六电容C37并联；
其中，第十五电容C36第十六电容C37为电解电容，阴极均接地；
第五路整流滤波稳压输出电路包括：第九二极管D7、第十九电容C40、第五整流滤波稳压输出电路芯片U15、第二十二电容C43和第二十电容C41；
第五组副边的正极输入端与第九二极管D7的阳极连接，负极接地；
第九二极管D7的阴极接入第五整流滤波稳压输出电路芯片U15的输入端，第五整流滤波稳压输出电路芯片U15输出端作为第五路电压输出；
第五整流滤波稳压输出电路芯片U15分别与第十九电容C40、第二十一电容42、第二十二电容C43和第二十电容C41并联；
其中，第十九电容C40和第二十电容C41为电解电容，阴极均接地；
第六路整流滤波稳压输出电路包括：第十二极管D8、第二十三电容C44、第二十五电容C46、第六整流滤波稳压输出电路芯片U16、第二十六电容C47、第二十四电容C45；
第六组副边的正极输入与第十二极管D8的阴极连接，负极接地；
第十二极管D8的阳极接入第六整流滤波稳压输出电路芯片U16的输入端，第六整流滤波稳压输出电路芯片U16输出端作为第六路电压输出；
第六整流滤波稳压输出电路芯片U16分别与第二十三电容C44、第二十五电容C46、第二十六电容C47和第二十四电容C45并联；
其中，第二十三电容C44和第二十四电容C45为电解电容，阴极均接地；
第七路整流滤波稳压输出电路包括：第十一二极管D9、第四十电容C48、第二十七电容C49、电感L1、第三十七电容C84、第三十八电容C85、第七路整流滤波稳压输出电路芯片U17、第二十八电容C50、第二十九电容C51；
第七组副边的正极输入端与第十一二极管D9的阳极连接，负极接地；
第十一二极管D9的阴极接入第七流滤波稳压输出电路芯片U17的输入端，第七流滤波稳压输出电路芯片U17输出端作为第七路电压输出；
第七流滤波稳压输出电路芯片U17与电感L1串联，分别与第四十电容C48、第二十七电容C49、第三十七电容C84、第三十八电容C85、第二十八电容C50和第二十九电容C51；
其中，第四十电容C48、三十七电容C84和第二十九电容C51为电解电容，其负极均接地。
可选的，
反馈偏置电路包括第三电阻R19、第四电阻R20、第五电阻R22、第六电阻R23、第三十一电容C53、第七电阻R25、反馈偏执电路芯片U20、第三十二电容C56；
第十一二极管D9的阴极另一路串联反馈偏置电路的第三电阻R19，并依次串联第四电阻R20、第五电阻R22、第七电阻R25和反馈偏执电路芯片U20；
反馈偏执电路芯片U20分别与第六电阻R23、第三十一电容C53和第三十二电容C56并联。
可选的，
所述高频变压器包括：PC40EE33磁芯、EE33立式9+9骨架；
原边绕组电感为376.48uH，原边匝数为32匝；
副边第1-6路的匝数分别为6匝、第7路为3匝、反馈路为4匝；
气隙长度为0.3523毫米。
可选的，
第1-6路采用0.35毫米直径铜线5股并绕；
第7路采用0.41毫米直径漆包线7股并绕；
反馈偏置路采用0.41毫米直径漆包线6股并绕。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具体有以下优点：
高频变压器的原边与TOP247Y电源芯片U18连接，所述高频变压器按反激式工作原理将原边能量传递到副边，在TOP247Y电源芯片U18自启动作用下使变压器副边得到高频矩形波电压，再经过整流滤波稳压输出电路得到稳定的直流电压；反馈偏置电路对输出电压进行电压采样，通过光电耦合电路U19将电压信号转换为电流控制信号，并输入到TOP247Y电源芯片U18的电流控制端，再经TOP247Y电源芯片U18内部采样电阻电压采样，最后在内部比较器和振荡器的共同作用下进行脉宽调制，触发内部MOSFET开关管按一定占空比的频率导通；当输出电压降低时：UO↓→UF↑→IC↓→D↑→UO↑；当输出电压升高时：UO↑→UF↓→IC↑→D↓→UO↓，经过上述调节使开关电源稳定输出5路+15V、1路-15V、1路+5V的电压，本发明设计了一种成本低、设计周期短的基于TOP247Y的7路输出单端反激式开关电源，其利用体积较小的高频变压器来实现电压变换和电网隔离，并利用高集成度的控制芯片，可实现高精度、高效率、高可靠性、体积小并且电路简单。实验测试结果表明，该开关电源能很好地满足伺服驱动电路的供电要求，工作稳定，效率高。
附图说明
图1为本发明开关电源电路实施例的电路图；
图2为本发明开关电源电路实施例轻载时高频变压器副边电压VO7_+12V的波形图；
图3为本发明开关电源电路实施例轻载时高频变压器副边电压VO7_+12V的局部波形图；
图4为本发明开关电源电路实施例高频变压器副边整流后电压VO7_+12V的波形图；
图5为本发明开关电源电路实施例高频变压器副边整流后电压VO4_+24V的波形图；
图6为本发明开关电源电路实施例稳压后输出电压±15V的波形图。
具体实施方式
本发明提供了一种开关电源电路，具有成本低、设计周期短的效果。基于TOP247Y的7路输出单端反激式开关电源，其利用体积较小的高频变压器来实现电压变换和电网隔离，并利用高集成度的控制芯片，可实现高精度、高效率、高可靠性、体积小并且电路简单。实验测试结果表明，该开关电源能很好地满足伺服驱动电路的供电要求，工作稳定，效率高。
一种开关电源电路结构作为永磁直线同步电机的开关电源，下面请参阅图1至图6，本发明提供的一种开关电源电路结构包括：
TOP247Y电源芯片U18、滤波整流电路、钳位电路、高频变压器T1、整流滤波稳压输出电路、偏置整流输出电路、反馈偏置电路和光电耦合电路U19；
需要说明的是，TOP247Y电源芯片U18的输出功率为165W，输出最大占空比为78％，具有66kH和132kH的半频和全频工作方式，在IC为2.6mA～5.8mA工作范围内实现占空比线性控制，占空比随IC增大而减小。
所述高频变压器的原边与TOP247Y电源芯片U18连接，所述高频变压器按反激式工作原理将原边能量传递到副边，在TOP247Y电源芯片U18自启动作用下使变压器副边得到高频矩形波电压，再经过整流滤波稳压输出电路得到稳定的直流电压；
反激式高频开关电源其特点是当主功率开关管导通时变压器原边电感储存能量，负载的能量从输出电路的滤波电容处得到；而当关断时，变压器原边电感的能量将会传送到副边负载和它的滤波电容处，以补偿滤波电容在开关导通状态下消耗的能量。
反馈偏置电路对输出电压进行电压采样，通过光电耦合电路U19将电压信号转换为电流控制信号，并输入到TOP247Y电源芯片U18的电流控制端，再经TOP247Y电源芯片U18内部采样电阻电压采样，最后在内部比较器和振荡器的共同作用下进行脉宽调制，触发内部MOSFET开关管按一定占空比的频率导通；
当输出电压降低时：UO↓→UF↑→IC↓→D↑→UO↑；当输出电压升高时：UO↑→UF↓→IC↑→D↓→UO↓，经过上述调节使输出保持稳定值。
实际应用中，额定交流输入电压VACin＝220V；交流输入电压最小值Vinmin＝176V；交流输入电压最大值Vinmax＝264V；电网频率fl＝50Hz；开关电源工作频率fS＝132kHz；效率η＝80％；7路输出电压电流VO1＝24V；IO1＝0.3A；VO2＝24V；IO2＝0.3A；VO3＝24V；IO3＝0.3A；VO4＝24V；IO4＝0.5A；VO5＝24V；IO5＝0.5A；VO6＝-24V；IO6＝0.5A；VO7＝12V；IO7＝2A；输出功率PO＝P1+P2+P3+P4+P5+P6+P7＝81.6W；
可选的，
所述滤波整流电路包括EMI滤波电路和整流桥D21；
EMI滤波电路包括：第三十六电容C66、第三十五电容C65、第八电阻R73、共模扼流线圈T2、第三十四电容C63、第三十三电容C62；
共模扼流线圈T2与第三十五电容C65和第三十六电容C66并联；
共模扼流线圈T2的一个输出端的一条支路与整流桥D21的一个输入端连接，另一条支路串联第三十三电容C62并接地；
共模扼流线圈T2的另一输出端的一条支路与整流桥D21的另一个输入端连接，另一条支路串联第三十四电容C63并接地；
共模扼流线圈T2与第八电阻R73并联；
共模扼流线圈T2与熔断器F1串联；
AC输入经过所述EMI滤波电路，再进过整流桥D21整流，产生整流电压进入整流滤波线；
整流滤波线包括两个支路：其中第一条支路连接第六电容C27的正极并接地，第六电容C27为整流滤波电容；第六电容C27为滤波电解电容，具体应用中可以按工程经验3uF/W选取，
Cin＝3*81.6＝244.8uF
取Cin＝270uF/400V。电路所选用的整流桥堆的响应时间为tc＝3ms，则开关电源经过滤波电容后的最小最大输入电压为：
V I N min = 2 V i n min 2 - 2 P O ( 1 2 f l - t c ) ηC i n = 2 * 176 2 - 2 * 81.6 * ( 1 2 * 50 - 3 * 10 - 3 ) 0.8 * 270 = 248.9016 V V I N max = 2 V i n max = 2 * 264 V = 373.35 V
考虑到220V输入电压等级，设计反射电压VOR＝135V，TOP247Y内部开关管通态压降VDS(on)＝10V，则最大占空比Dmax为：
D m a x = V O R V I N m i n - V D S ( o n ) + V O R = 135 248.9 - 10 + 135 = 0.36
共模扼流线圈T2的原边绕组电流平均值IPAVG
I P A V G = P O ηV I N m i n = 81.6 0.8 * 248.9 = 0.4098 A
原边绕组电流峰值IPmax为：
I P m a x = I P A V G ( 1 - 0.5 K R P ) D m a x = 0.4098 ( 1 - 0.5 * 0.9 ) * 0.3857 = 1.9318 A
原边绕组电流有效值IPRMS为：
I P R M S = I P max D max ( K R P 2 3 - K R P + 1 ) = 1.9318 * 0.3857 * ( 0.9 2 3 - 0.9 + 1 ) = 0.7298 A
其中KRP为电流脉动系数取KRP＝0.9。
第二条支路串联第九电阻R18接入TOP247Y电源芯片U18。
可选的，
所述整流滤波线还包括第三个支路，第三条支路接入钳位电路，将瞬态峰值电压钳位在预定电压值，防止叠加电压过高击穿电源芯片U18；
钳位电路包括第一电阻R16、第二电阻R17、第一电容C22、第三二极管D2和第六二极管D4；
钳位电路的输出端接入高频变压器T1的原边正极。
第三二极管D2的阴极与第六二极管D4的阴极连接，第三二极管D2的阳极接入高频变压器T1的原边正极；
第六二极管D4的阳极接入高频变压器T1的原边负极；
第三二极管D2为稳压二极管，且分别与第一电容C22、第一电阻R16和第二电阻R17并联。
可选的，
高频变压器T1还与第三十九电容C21并联。
可选的，
高频变压器T1具有8组副边，其中7组副边各对应一路整流滤波稳压输出电路；
第八组副变为反馈偏置绕组，且对应偏置整流输出电路，为光电耦合器三极管侧提供偏置电压，第7组副边输出端经过反馈偏置电路对输出电压进行电压采样，通过光电耦器件将电压信号转换为电流控制信号输入到TOP247Y电源芯片U18的电流控制端。
可选的，
偏置整流输出电路包括：第二二极管D10和第三十电容C52；
第八组副边的正极输入端与第二二极管D10的阳极连接，负极接地；
第二二极管D10与三十电容C52串联。
可选的，
第一路整流滤波稳压输出电路包括：第一二极管D1、第二电容C23、第四电容C25、第一整流滤波稳压输出电路芯片U11、第五电容C26和第三电容C24；
第一组副边的正极输入端与第一二极管D1的阳极连接，负极接地；
第一二极管D1的阴极接入电第一整流滤波稳压输出电路芯片U11的输入端，第一整流滤波稳压输出电路芯片U11输出端作为第一路电压输出；
第一路整流滤波稳压输出电路芯片U11分别与第二电容C 23、第四电容C 25、第五电容C 26、第三电容C 24并联；
第二电容C 23为电解电容，其阴极接地，同样的，第三电容C24为电解电容，其阴极接地；
第二路整流滤波稳压输出电路包括：第五二极管D3、第七电容C28、第九电容C30、第二整流滤波稳压输出电路芯片U12、第十电容C31、第八电容C29；
第二组副边的正极输入端与第五二极管D3的阳极连接，负极接地；
第五二极管D5的阴极接入第二整流滤波稳压输出电路芯片U12的输入端，第二整流滤波稳压输出电路芯片U12输出端作为第二路电压输出；
第二路整流滤波稳压输出电路芯片U12分别与第七电容C28、第九电容C30、第十电容C31和第八电容C29并联；
第七电容C28为电解电容，其阴极接地，同样的，第八电容C29为电解电容，其阴极接地；
第三路整流滤波稳压输出电路包括：第七二极管D5、第十一电容C32、第十三电容C34、第三整流滤波稳压输出电路芯片U13、第十四电容C35和第十二电容C33；
第三组副边的正极输入端与第七二极管D5的阳极连接，负极接地；
第七二极管D5的阴极接入第三整流滤波稳压输出电路芯片U13的输入端，第三路整流滤波稳压输出电路芯片U13输出端作为第三路电压输出；
第三整流滤波稳压输出电路芯片U13分别与第十一电容C32、第十三电容C34、第十四电容C35和第十二电容C33并联；
其中，第十一电容C32和第十二电容C33为电解电容，阴极均接地；
第四路整流滤波稳压输出电路包括：第八二极管D6、第十五电容C36、第十七电容C38、第四整流滤波稳压输出电路芯片U14、第十八电容C39第十六电容C37；
第四组副边的正极输入端与第八二极管D6的阳极连接，负极接地；
第八二极管D6的阴极接入第四路整流滤波稳压输出电路芯片U14的输入端，第四路整流滤波稳压输出电路芯片U14输出端作为第四路电压输出；
第四路整流滤波稳压输出电路芯片U14分别与第十五电容C36、第十七电容C38、第十八电容C39和第十六电容C37并联；
其中，第十五电容C36第十六电容C37为电解电容，阴极均接地；
第五路整流滤波稳压输出电路包括：第九二极管D7、第十九电容C40、第五整流滤波稳压输出电路芯片U15、第二十二电容C43和第二十电容C41；
第五组副边的正极输入端与第九二极管D7的阳极连接，负极接地；
第九二极管D7的阴极接入第五整流滤波稳压输出电路芯片U15的输入端，第五整流滤波稳压输出电路芯片U15输出端作为第五路电压输出；
第五整流滤波稳压输出电路芯片U15分别与第十九电容C40、第二十一电容42、第二十二电容C43和第二十电容C41并联；
其中，第十九电容C40和第二十电容C41为电解电容，阴极均接地；
第六路整流滤波稳压输出电路包括：第十二极管D8、第二十三电容C44、第二十五电容C46、第六整流滤波稳压输出电路芯片U16、第二十六电容C47、第二十四电容C45；
第六组副边的正极输入与第十二极管D8的阴极连接，负极接地；
第十二极管D8的阳极接入第六整流滤波稳压输出电路芯片U16的输入端，第六整流滤波稳压输出电路芯片U16输出端作为第六路电压输出；
第六整流滤波稳压输出电路芯片U16分别与第二十三电容C44、第二十五电容C46、第二十六电容C47和第二十四电容C45并联；
其中，第二十三电容C44和第二十四电容C45为电解电容，阴极均接地；
第七路整流滤波稳压输出电路包括：第十一二极管D9、第四十电容C48、第二十七电容C49、电感L1、第三十七电容C84、第三十八电容C85、第七路整流滤波稳压输出电路芯片U17、第二十八电容C50、第二十九电容C51；
第七组副边的正极输入端与第十一二极管D9的阳极连接，负极接地；
第十一二极管D9的阴极接入第七流滤波稳压输出电路芯片U17的输入端，第七流滤波稳压输出电路芯片U17输出端作为第七路电压输出；
第七流滤波稳压输出电路芯片U17与电感L1串联，分别与第四十电容C48、第二十七电容C49、第三十七电容C84、第三十八电容C85、第二十八电容C50和第二十九电容C51；
其中，第四十电容C48、三十七电容C84和第二十九电容C51为电解电容，其负极均接地。
可选的，
反馈偏置电路包括第三电阻R19、第四电阻R20、第五电阻R22、第六电阻R23、第三十一电容C53、第七电阻R25、反馈偏执电路芯片U20、第三十二电容C56；
第十一二极管D9的阴极另一路串联反馈偏置电路的第三电阻R19，并依次串联第四电阻R20、第五电阻R22、第七电阻R25和反馈偏执电路芯片U20；
反馈偏执电路芯片U20分别与第六电阻R23、第三十一电容C53和第三十二电容C56并联。
可选的，
所述高频变压器包括：PC40EE33磁芯、EE33立式9+9骨架；
原边绕组电感为376.48uH，原边匝数为32匝；
副边第1-6路的匝数分别为6匝、第7路为3匝、反馈路为4匝；
气隙长度为0.3523毫米。
原边绕组匝数NP为：
N P = I P m a x L P 10 4 AeB m = 1.9318 * 376.48 * 10 - 6 * 10 4 114 * 10 - 2 * 0.2 = 31.9
原边绕组取32匝。
取副边的整流二极管导通压降Non＝0.8V，副边绕组匝数NS为：
N S ( 1 ~ 3 ) = ( V O ( 1 ~ 3 ) + N o n ) N P V O R = ( 24 + 0.8 ) * 32 135 = 5.88
第1、2、3路输出电压24V/300mA取匝。
N S ( 4 ) = ( V O ( 4 ) + N on ) N P V OR = ( 24 + 0.8 ) * 32 135 = 5.88
第4路输出电压24V/500mA取匝。
N S ( 5 ~ 6 ) = ( V O ( 5 ~ 6 ) + N o n ) N P V O R = ( 24 + 0.8 ) * 32 135 = 5.88
第5、6路输出电压±24V/500mA取匝。
N S ( 7 ) = ( V O ( 7 ) + N o n ) N P V O R = ( 12 + 0.8 ) * 32 135 = 3.034
第7路输出电压12V/2A取匝。
反馈偏置电路按12V设计，则反馈绕组匝数NF为
N F = ( V F + N o n ) N P V O R = ( 12 + 0.8 ) * 32 135 = 3.034
考虑到绕线工艺误差，反馈偏置电路绕组取一定裕量匝数，则取NF＝4匝。
高频变压器气隙长度
δ = μ o A e ( N P 2 L P - 1 A L ) = 4 * π * 10 - 7 * 114 * ( 32 2 376.48 * 10 - 3 - 1 3840 * 10 - 6 ) = 0.3523 m m
式中，δ为气隙长度mm；Ae为EE磁芯截面积mm2；NP为原边匝数N；LP为原边绕组电感H；
AL为电感系数nH/N2。
可选的，
第1-6路采用0.35毫米直径铜线5股并绕；
第7路采用0.41毫米直径漆包线7股并绕；
反馈偏置路采用0.41毫米直径漆包线6股并绕。
采用AP法选取磁芯，对于所设计的反激开关电源工作磁密Bm＝0.6～0.7ΔB，取Bm＝0.2T。同时取窗口利用系数Kw＝0.4；波形系数Kf＝4.0；电流密度J＝5A/mm2；
磁芯面积乘积AP为：
A p = A w · A e = 0.433 ( 1 + η ) P O * 10 4 ηK w D max JK R P f S B m = 0.433 * ( 1 + 0.8 ) * 81.6 * 10 4 0.8 * 0.4 * 0.36 * 500 * 0.7 * 132 * 10 3 * 0.2 = 0.46471 cm 4 - - - ( 9 )
因此选用EE型磁芯PC40EE33：磁芯面积乘积Ap＝1.15311cm4；磁芯有效截面积Ae＝114mm2；窗口面积Aw＝101.2mm2；电感系数AL＝3840nH/N2；磁芯有效体积Ve＝7690mm3；磁芯重量Wt＝39g；输出功率PC＝120w，满足所设计电源81.6w输出功率。
因为需要7路输出和1路反馈偏置输出，故选用EE33立式9+9骨架，其槽宽16.4mm，槽深6.4mm，18个引脚。
副边第1至第6路绕组峰值反向电压为：
PIV S ( 1 ~ 6 ) = V O ( 1 ~ 6 ) + ( V I N m a x · N S ( 1 ~ 6 ) N P ) = 24 + 373.35 × 6 32 ≈ 94 V
第7路与反馈偏置绕组峰值反向电压为：
PIV S ( 7 ) = V O ( 7 ) + ( V I N m a x · N F N P ) = 12 + 373.35 × 3 32 ≈ 47 V
反馈偏置绕组峰值反向电压PIVF为：
PIV F = V F + ( V I N m a x · N S ( 7 ) N P ) = 12 + 373.35 × 4 32 ≈ 59 V
本文采用BYV26D高耐压值快速整流二极管，其反向恢复时间较短；采用MBR20100CT肖特基整流二极管，其峰值电流能达到20A，正向导通损耗小、反向恢复时间短，可进一步消除输出电压中的纹波电压；反馈偏置电路输出电流小，采用IN4148开关二极管便可。
由于伺服驱动电路需要5路15V、1路-15V和1路5V的供电电压，因此采用三端电压源稳压芯片LM7815、LM7915和LM7805，不仅能得到所需电压，又能降低输出的纹波电压。
在滤波电容方面，本文采用常用电解电容470uF/35V与常用贴片电容1uF/50V并联构成低等效串联阻抗(ESR)电容，既能很好滤除纹波又降低成本。对于高要求路输出，采用1000uF/16V电解电容，同时采用3.3u的电阻式电感作为滤波电感。
为验证上述的设计方案正确性与可用性，制作了基于TOP247Y的多路单端反激式开关电源，其最终电压输出为8路：+15V×5、-15V、+5V以及+12V的反馈偏置绕组侧输出。电路主要由保护电路、EMI滤波电路、RCD钳位电路、反馈偏置电路、C端电流控制电路、整流滤波电路等组成。
表1轻载实验结果
电压输出精度γ：
γ = | V O - V O ′ | V O × 100 %
其中VO为开关电源额定输出电压，V′O为开关电源实测输出电压。
图4为VO7_+12V输出波形，其另测电压纹波为300mV，电压精度为1.67％；图5为VO4_+24V输出波形，其另测电压纹波为600mV，电压精度为2.5％；图6为VO5_+24V与VO5_-24V经LM7815和LM7915稳压后的输出波形，其另测电压纹波为400mV，电压精度分别为2％和1.33％。从实验结果和分析可得，所设计的高频开关电源输出稳定、纹波小、精度高，电源各项指标符合设计要求。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种开关电源电路结构，其特征在于，包括：
TOP247Y电源芯片(U18)、滤波整流电路、钳位电路、高频变压器(T1)、整流滤波稳压输出电路、偏置整流输出电路、反馈偏置电路和光电耦合电路(U19)；
所述高频变压器(T1)的原边与TOP247Y电源芯片(U18)连接，所述高频变压器(T1)按反激式工作原理将原边能量传递到副边，在TOP247Y电源芯片(U18)自启动作用下使变压器副边得到高频矩形波电压，再经过整流滤波稳压输出电路得到稳定的直流电压；
反馈偏置电路对输出电压进行电压采样，通过光电耦合电路(U19)将电压信号转换为电流控制信号，并输入到TOP247Y电源芯片(U18)的电流控制端，再经TOP247Y电源芯片(U18)内部采样电阻电压采样，最后在内部比较器和振荡器的共同作用下进行脉宽调制，触发内部MOSFET开关管按一定占空比的频率导通；
当输出电压降低时：UO↓→UF↑→IC↓→D↑→UO↑；当输出电压升高时：UO↑→UF↓→IC↑→D↓→UO↓，经过上述调节使输出保持稳定值。
2.根据权利要求1所述的开关电源电路结构，其特征在于，
所述滤波整流电路包括EMI滤波电路和整流桥D21；
EMI滤波电路包括：第三十六电容C66、第三十五电容C65、第八电阻R73、共模扼流线圈T2、第三十四电容C63、第三十三电容C62；
共模扼流线圈T2与第三十五电容C65和第三十六电容C66并联；
共模扼流线圈T2的一个输出端的一条支路与整流桥D21的一个输入端连接，另一条支路串联第三十三电容C62并接地；
共模扼流线圈T2的另一输出端的一条支路与整流桥D21的另一个输入端连接，另一条支路串联第三十四电容C63并接地；
共模扼流线圈T2与第八电阻R73并联；
共模扼流线圈T2与熔断器F1串联；
AC输入经过所述EMI滤波电路，再进过整流桥D21整流，产生整流电压进入整流滤波线；
整流滤波线包括两个支路：其中第一条支路连接第六电容C27的正极并接地，第六电容C27为整流滤波电容；
第二条支路串联第九电阻R18接入TOP247Y电源芯片U18。
3.根据权利要求2所述的开关电源电路结构，其特征在于，
所述整流滤波线还包括第三个支路，第三条支路接入钳位电路，将瞬态峰值电压钳位在预定电压值，防止叠加电压过高击穿电源芯片U18；
钳位电路包括第一电阻R16、第二电阻R17、第一电容C22、第三二极管D2和第六二极管D4；
钳位电路的输出端接入高频变压器T1的原边正极；
第三二极管D2的阴极与第六二极管D4的阴极连接，第三二极管D2的阳极接入高频变压器T1的原边正极；
第六二极管D4的阳极接入高频变压器T1的原边负极；
第三二极管D2为稳压二极管，且分别与第一电容C22、第一电阻R16和第二电阻R17并联。
4.根据权利要求3所述的开关电源电路结构，其特征在于，
高频变压器T1还与第三十九电容C21并联。
5.根据权利要求3所述的开关电源电路结构，其特征在于，
高频变压器T1具有8组副边，其中7组副边各对应一路整流滤波稳压输出电路；
第八组副变为反馈偏置绕组，且对应偏置整流输出电路，为光电耦合器三极管侧提供偏置电压，第7组副边输出端经过反馈偏置电路对输出电压进行电压采样，通过光电耦器件将电压信号转换为电流控制信号输入到TOP247Y电源芯片U18的电流控制端。
6.根据权利要求5所述的开关电源电路结构，其特征在于，
偏置整流输出电路包括：第二二极管D10和第三十电容C52；
第八组副边的正极输入端与第二二极管D10的阳极连接，负极接地；
第二二极管D10与三十电容C52串联。
7.根据权利要求5所述的开关电源电路结构，其特征在于，
第一路整流滤波稳压输出电路包括：第一二极管D1、第二电容C23、第四电容C25、第一整流滤波稳压输出电路芯片U11、第五电容C26和第三电容C24；
第一组副边的正极输入端与第一二极管D1的阳极连接，负极接地；
第一二极管D1的阴极接入电第一整流滤波稳压输出电路芯片U11的输入端，第一整流滤波稳压输出电路芯片U11输出端作为第一路电压输出；
第一路整流滤波稳压输出电路芯片U11分别与第二电容C23、第四电容C25、第五电容C26、第三电容C24并联；
第二电容C23为电解电容，其阴极接地，同样的，第三电容C24为电解电容，其阴极接地；
第二路整流滤波稳压输出电路包括：第五二极管D3、第七电容C28、第九电容C30、第二整流滤波稳压输出电路芯片U12、第十电容C31、第八电容C29；
第二组副边的正极输入端与第五二极管D3的阳极连接，负极接地；
第五二极管D5的阴极接入第二整流滤波稳压输出电路芯片U12的输入端，第二整流滤波稳压输出电路芯片U12输出端作为第二路电压输出；
第二路整流滤波稳压输出电路芯片U12分别与第七电容C28、第九电容C30、第十电容C31和第八电容C29并联；
第七电容C28为电解电容，其阴极接地，同样的，第八电容C29为电解电容，其阴极接地；
第三路整流滤波稳压输出电路包括：第七二极管D5、第十一电容C32、第十三电容C34、第三整流滤波稳压输出电路芯片U13、第十四电容C35和第十二电容C33；
第三组副边的正极输入端与第七二极管D5的阳极连接，负极接地；
第七二极管D5的阴极接入第三整流滤波稳压输出电路芯片U13的输入端，第三路整流滤波稳压输出电路芯片U13输出端作为第三路电压输出；
第三整流滤波稳压输出电路芯片U13分别与第十一电容C32、第十三电容C34、第十四电容C35和第十二电容C33并联；
其中，第十一电容C32和第十二电容C33为电解电容，阴极均接地；
第四路整流滤波稳压输出电路包括：第八二极管D6、第十五电容C36、第十七电容C38、第四整流滤波稳压输出电路芯片U14、第十八电容C39第十六电容C37；
第四组副边的正极输入端与第八二极管D6的阳极连接，负极接地；
第八二极管D6的阴极接入第四路整流滤波稳压输出电路芯片U14的输入端，第四路整流滤波稳压输出电路芯片U14输出端作为第四路电压输出；
第四路整流滤波稳压输出电路芯片U14分别与第十五电容C36、第十七电容C38、第十八电容C39和第十六电容C37并联；
其中，第十五电容C36第十六电容C37为电解电容，阴极均接地；
第五路整流滤波稳压输出电路包括：第九二极管D7、第十九电容C40、第五整流滤波稳压输出电路芯片U15、第二十二电容C43和第二十电容C41；
第五组副边的正极输入端与第九二极管D7的阳极连接，负极接地；
第九二极管D7的阴极接入第五整流滤波稳压输出电路芯片U15的输入端，第五整流滤波稳压输出电路芯片U15输出端作为第五路电压输出；
第五整流滤波稳压输出电路芯片U15分别与第十九电容C40、第二十一电容42、第二十二电容C43和第二十电容C41并联；
其中，第十九电容C40和第二十电容C41为电解电容，阴极均接地；
第六路整流滤波稳压输出电路包括：第十二极管D8、第二十三电容C44、第二十五电容C46、第六整流滤波稳压输出电路芯片U16、第二十六电容C47、第二十四电容C45；
第六组副边的正极输入与第十二极管D8的阴极连接，负极接地；
第十二极管D8的阳极接入第六整流滤波稳压输出电路芯片U16的输入端，第六整流滤波稳压输出电路芯片U16输出端作为第六路电压输出；
第六整流滤波稳压输出电路芯片U16分别与第二十三电容C44、第二十五电容C46、第二十六电容C47和第二十四电容C45并联；
其中，第二十三电容C44和第二十四电容C45为电解电容，阴极均接地；
第七路整流滤波稳压输出电路包括：第十一二极管D9、第四十电容C48、第二十七电容C49、电感L1、第三十七电容C84、第三十八电容C85、第七路整流滤波稳压输出电路芯片U17、第二十八电容C50、第二十九电容C51；
第七组副边的正极输入端与第十一二极管D9的阳极连接，负极接地；
第十一二极管D9的阴极接入第七流滤波稳压输出电路芯片U17的输入端，第七流滤波稳压输出电路芯片U17输出端作为第七路电压输出；
第七流滤波稳压输出电路芯片U17与电感L1串联，分别与第四十电容C48、第二十七电容C49、第三十七电容C84、第三十八电容C85、第二十八电容C50和第二十九电容C51；
其中，第四十电容C48、三十七电容C84和第二十九电容C51为电解电容，其负极均接地。
8.根据权利要求7所述的开关电源电路结构，其特征在于，
反馈偏置电路包括第三电阻R19、第四电阻R20、第五电阻R22、第六电阻R23、第三十一电容C53、第七电阻R25、反馈偏执电路芯片U20、第三十二电容C56；
第十一二极管D9的阴极另一路串联反馈偏置电路的第三电阻R19，并依次串联第四电阻R20、第五电阻R22、第七电阻R25和反馈偏执电路芯片U20；
反馈偏执电路芯片U20分别与第六电阻R23、第三十一电容C53和第三十二电容C56并联。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的开关电源电路结构，其特征在于，
所述高频变压器包括：PC40EE33磁芯、EE33立式9+9骨架；
原边绕组电感为376.48uH，原边匝数为32匝；
副边第1-6路的匝数分别为6匝、第7路为3匝、反馈路为4匝；
气隙长度为0.3523毫米。
10.根据权利要求9所述的开关电源电路结构，其特征在于，
第1-6路采用0.35毫米直径铜线5股并绕；
第7路采用0.41毫米直径漆包线7股并绕；
反馈偏置路采用0.41毫米直径漆包线6股并绕。
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