1引言

真空鍍膜技術(shù)在近10幾年迅猛的發(fā)展中，已經(jīng)涉及到各個(gè)行業(yè)。尤其是磁控濺射技術(shù)在薄膜制備領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。磁控濺射電源就是針對(duì)磁控濺射環(huán)節(jié)所設(shè)計(jì)使用的開(kāi)關(guān)電源，其性能直接關(guān)系到鍍膜產(chǎn)品的質(zhì)量，已成為衡量磁控濺射設(shè)備狀態(tài)的重要對(duì)象。因此，設(shè)計(jì)性能良好的電源就成為了行業(yè)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。近幾年來(lái)，隨著電力電子功率變換技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，pWM控制的開(kāi)關(guān)電源以其極高的性價(jià)比獲得了廣泛的應(yīng)用。尤其是單片開(kāi)關(guān)電源控制芯片獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，TOpSWITCH系列單片電源芯片已將自啟動(dòng)電路、功率MOSFET，pWM控制電路以及保護(hù)電路集成在一起，再通過(guò)小型高頻變壓器便可使輸出電壓與電網(wǎng)輸入完全隔離，不僅提高了電源的效率，簡(jiǎn)化了外圍電路，而且降低了電源成本和體積，增強(qiáng)了電源的可靠性。

在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行鍍膜的過(guò)程中，要對(duì)電壓的穩(wěn)定性進(jìn)行檢測(cè)，而檢測(cè)系統(tǒng)要輸入穩(wěn)定、精確度高的±15V直流電源。由于受到體積限制，這兩路電源變換應(yīng)盡可能結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸入電壓范圍寬、可靠實(shí)用，同時(shí)滿足較好的隔離性(若采用UC3842芯片，其電源部分不僅成本提高，而且新增了整個(gè)控制系統(tǒng)的體積)。

為此，本文根據(jù)單端反激式開(kāi)關(guān)電源原理，選擇了TOp204單片電源控制芯片作為核心器件，提出了一種可實(shí)用于代替UC3842芯片的開(kāi)關(guān)電源。該開(kāi)關(guān)電源不僅可以滿足檢測(cè)系統(tǒng)所需電壓，而且電路簡(jiǎn)單、可靠、穩(wěn)壓性能好，開(kāi)關(guān)電源部分所用器件少，從而使整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的體積減小。

2電路設(shè)計(jì)

圖1為采用TOp204芯片構(gòu)建的單端反激式隔離開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源原理圖。輸入為（~220±15%）V交流市電，輸出雙路電壓分別為+15V，-15V直流電，其兩路輸出功率均為7.5W。

由于TOp204的高度集成性，設(shè)計(jì)工作重要圍繞其外部電路進(jìn)行，同時(shí)結(jié)合檢測(cè)系統(tǒng)用電特點(diǎn)對(duì)其輸出電壓精確度進(jìn)行分析。根據(jù)TOp204芯片的工作原理，其外圍電路可分為輸入整流濾波電路、漏極保護(hù)電路、變壓器、輸出整流濾波電路以及反饋電路五部分，下面將分別進(jìn)行原理和功能分析。

2.1輸入整流濾波電路

220V的交流市電通過(guò)保險(xiǎn)絲和8w的水泥電阻之后，進(jìn)入EMI濾波器，它是由C1、Lt和C2組成。其中C1、C2是為了除去差模干擾，其值為0.1μF/630V。Lt為濾波線圈，采取雙線并繞，其值為33mH。整流電路采用反向耐壓大于400V，沖擊電流大于額定整流電流（7~10）倍的整流二極管，且整流二極管的穩(wěn)態(tài)電流容量應(yīng)為計(jì)算值的兩倍。由此選擇4個(gè)FR107二極管做整流橋。

電容+C1的值可根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)1μF/w來(lái)取，考慮到裕量，+C1=68μF/400V。由于220V交流市電在15%之間波動(dòng)，故VACmax=253V，VACmin=187V。假設(shè)整流橋中二極管導(dǎo)通時(shí)間為T(mén)on=3ms，由式(1)和式(2)可得輸入直流電壓最小值和最大值為：

式中：η1為系統(tǒng)效率，可選80%；fl為交流電網(wǎng)頻率；po為電源輸出功率。

2.2漏極嵌位電路

當(dāng)TOp204中的主功率MOSFET由導(dǎo)通變成截止時(shí)，在高頻變壓器T的初級(jí)繞組Ll上會(huì)出現(xiàn)尖峰電壓和感應(yīng)電壓，其中尖峰電壓是由于高頻變壓器存在漏感而形成，它與直流高壓和感應(yīng)電壓疊加后很容易損壞主功率管。為此，必須設(shè)計(jì)漏極嵌位電路，對(duì)尖峰電壓進(jìn)行嵌位或吸收。

DZ和D5構(gòu)成的嵌位電路可防止高電壓對(duì)TOp204的損壞。其中DZ采用型號(hào)為p6KE200，反向擊穿電壓為220V的TVS（瞬態(tài)電壓抑制器)，D5采用型號(hào)為BYV36C，反向耐壓為700V的超快恢復(fù)二極管。

2.3變壓器設(shè)計(jì)

（1）鐵芯類(lèi)型

根據(jù)TOp204芯片100kHz的工作頻率選用錳鋅鐵氧體。通常，輸出功率和磁芯截面積由相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，即

式中：Ae為變壓器磁芯的有效截面積(cm2)；po為電源的輸出功率(w)；η2為變壓器的效率，一般取85%。根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算，可以選擇EI-22鐵氧體磁芯，其有效截面積大于Ae的計(jì)算值。

（2）計(jì)算最大占空比Dmax

首先必須確定次級(jí)反射到初級(jí)的電壓Vf，利用式(4)計(jì)算

Vf=Vmos×80%-Vdcmax(4)

其中：Vmos為T(mén)Op系列的MOS管耐壓為700V。

[page]再根據(jù)磁通伏秒積平衡的要求，即：Vdcmin×Dmax=Vf×(1-Dmax)，可得：

（3）計(jì)算變壓器初級(jí)自感Lp

由于所設(shè)計(jì)的反激式變換器工作在持續(xù)導(dǎo)通工作模式(CCM)中，所以，開(kāi)關(guān)管閉合時(shí)的電流初始值和末值根據(jù)公式(5)可得:

式中:Ip1、Ip2分別為開(kāi)關(guān)管閉合時(shí)的電流初始值、末值。根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，一般選擇Ip2=(2～3)Ip1，不要讓Ip1與Ip2過(guò)于接近。因?yàn)殡娏鞯男甭什粔颍菀壮霈F(xiàn)振蕩，取3。

由此可得峰值電流為

變壓器的初級(jí)自感Lp根據(jù)式(6)計(jì)算

式中：fs是開(kāi)關(guān)頻率；Lp是初級(jí)電感量，單位H。

（4)計(jì)算初、次級(jí)繞組匝數(shù)

利用式(7)、式(8)分別計(jì)算Np（初級(jí)繞組）、Ns（次級(jí)繞組）

式中：△B為感應(yīng)強(qiáng)度變化量，取值在(0.2~0.3)T之間，這里取0.25，單位是T；Ae是磁芯截面積，單位cm2；Lp是初級(jí)電感量，單位H；Ip是初級(jí)峰值電流，單位A；Vo是次級(jí)繞組輸出電壓；VD是輸出整流二極管壓降。各匝數(shù)選用如下。

初級(jí)繞組匝數(shù)Np為:Np=108.3匝，取109匝。

輸出電壓Vo1=+15V，則次級(jí)繞組匝數(shù)Ns1為:Ns1=8.5匝，取9匝。

輸出電壓Vo2=-15V，則次級(jí)繞組匝數(shù)Ns2為:Ns2=12.8匝，取13匝。

反饋電壓Vo3=+7.8V，則次級(jí)繞組匝數(shù)Ns3為:Ns3=3.7匝，取4匝。

（5)計(jì)算氣隙長(zhǎng)度

氣隙長(zhǎng)度由式（9）計(jì)算。

式中：lg為氣隙長(zhǎng)度，單位為cm；Np為原邊匝數(shù)，Ae為磁芯的截面積，單位為cm2；Lp為初級(jí)電感量，單位為H。

計(jì)算得lg=0.0732cm。但在實(shí)際手工繞制變壓器時(shí)，由于氣隙太小還得根據(jù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到所要求的結(jié)果。

2.4輸出整流濾波電路設(shè)計(jì)

輸出整流濾波電路由整流二極管和濾波電容構(gòu)成。輸出整流二極管的開(kāi)關(guān)損耗占系統(tǒng)損耗的（5%~10%），是影響開(kāi)關(guān)電源效率的重要因素，它包括正向?qū)〒p耗和反向恢復(fù)損耗。因此，為了提高開(kāi)關(guān)電源的效率，在其他環(huán)節(jié)不再有可以挖掘的余地時(shí)，只能考慮如何進(jìn)一步降低輸出整流器的導(dǎo)通電壓降。由于肖特基二極管導(dǎo)通時(shí)正向壓降較低,因此具有很低的正向?qū)〒p耗。此外，肖特基二極管反向恢復(fù)時(shí)間短,在降低反向恢復(fù)損耗以及消除輸出電壓中的紋波方面有明顯的性能優(yōu)勢(shì)，所以選用肖特基二極管作為整流二極管。選取的原則是，根據(jù)次級(jí)整流二極管的電壓應(yīng)力公式，即：。

經(jīng)計(jì)算，取型號(hào)為BYW29-200整流管，最大反向電壓VRRM=200V，平均電流IAV=8A。

此外，為減小共模抑制比，在輸出地與高壓側(cè)地之間接共模抑制電容，如圖1中的C5。

[page]2.5反饋回路的設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)電源反饋電路的形式依據(jù)輸出電壓的精度而定，其+15V的電壓輸出利用TL431、pC816和TOp204構(gòu)成光耦反饋端,可使電壓調(diào)整率達(dá)到±0.2%左右，大大提高了電壓精度。-15V的電壓輸出采用7915三端穩(wěn)壓器，可使穩(wěn)壓精度達(dá)到±0.4%左右。

在+15V一端，光耦合器pC816中的LED用來(lái)構(gòu)成反饋指示，R2為L(zhǎng)ED限流電阻，TL431作為外部誤差放大器。當(dāng)輸出電壓+15V變化時(shí)，經(jīng)過(guò)R3、R4分壓得到取樣電壓，與TL431中的2.5V帶隙基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，使1端電位發(fā)生變化，進(jìn)而使LED工作電流發(fā)生變化，再通過(guò)pC816控制端電流，從而使TOp204的控制端電流發(fā)生變化，進(jìn)而調(diào)節(jié)+15V電壓變化。C4是用來(lái)決定誤差放大端的頻率響應(yīng)。

在-15V一端，電壓的穩(wěn)壓過(guò)程由LM7915決定。LM7915的輸入端（變壓器的輸出端）為-23V，進(jìn)過(guò)穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后得到-15V的電壓。L2起消除尖峰電流的用途。由于在+15V端TL431使得電壓的調(diào)整率達(dá)到±0.2%左右，這使得通過(guò)TOp204變壓器繞組端的調(diào)整范圍穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。為此，其他次級(jí)繞組的變化與+15V端相同。在-15V端在加入穩(wěn)壓器和L2后，進(jìn)一步減小了電壓變化范圍。使-15V精確至±0.4%左右。

反饋繞組一端為T(mén)Op204的控制端供應(yīng)反饋電流，其最大允許電流為100mA。它的耐壓范圍在（5.7~9）V之間，設(shè)計(jì)當(dāng)中一般選用6V。R6為限流電阻。另外，+C6有三個(gè)用途：濾除控制端上的尖峰電壓；決定自動(dòng)重啟頻率；和R5一起對(duì)控制回路進(jìn)行補(bǔ)償。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1為當(dāng)輸入Vi（200V~300V）交流電時(shí)，輸出電壓V1（+15V）、V2（-15V）的變化情況。其中圖2（a）、圖2(b)分別是+15V和-15V的實(shí)際波形。

表1輸入電壓Vi時(shí)，輸出電壓V1和V2的實(shí)測(cè)值

由表1及圖2(a)和圖2(b)表明，該開(kāi)關(guān)電源有效地減小了體積及元器件的數(shù)量，明顯的提高了工作效率。并且，此單端反激式隔離開(kāi)關(guān)電源的電壓調(diào)整率、輸出電阻和紋波低，系統(tǒng)安全可靠，成本低廉，對(duì)綠色鍍膜電源檢測(cè)系統(tǒng)具有穩(wěn)定、精確的供電特性，符合實(shí)際測(cè)試及生產(chǎn)要。

注：由于示波器是使用時(shí)間較長(zhǎng)出現(xiàn)較大誤差，因此，利用數(shù)字萬(wàn)用表加以校正。

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