正激和反激開關(guān)電源兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.引言

近年來，開關(guān)電源的發(fā)展非常迅速。

相對于線性電源，開關(guān)電源有著體積小、重量輕、效率高、抗干擾強(qiáng)、輸出電壓范圍寬和便于模塊化等優(yōu)點(diǎn)。開關(guān)電源分為隔離和非隔離兩種形式，而隔離式又有正激和反激兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

一般在中小功率電源場合，反激式開關(guān)電源往往最具性價(jià)比，因此被廣泛應(yīng)用于家電、工業(yè)控制、通訊、LED照明等領(lǐng)域。但設(shè)計(jì)一款具有高性價(jià)比的開關(guān)電源并非易事，需要設(shè)計(jì)人員具備豐富的理論知識和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。按照傳統(tǒng)的手工設(shè)計(jì)方法，開關(guān)電源需要計(jì)算的參數(shù)變量非常多，工作量較大。為配合用戶進(jìn)行開關(guān)電源的設(shè)計(jì)，Power Integrations公司推出了PI Expert電源設(shè)計(jì)軟件，大大地減輕了設(shè)計(jì)人員的工作量。該軟件簡單易用，靈活方便，是一種高效的開關(guān)電源設(shè)計(jì)工具。

2.反激式開關(guān)電源的基本原理

所謂反激式開關(guān)電源，是指當(dāng)變壓器的初級線圈正好被直流電壓激勵(lì)時(shí)，變壓器的次級線圈沒有向負(fù)載提供功率輸出，而僅在變壓器初級線圈的激勵(lì)電壓被關(guān)斷后才向負(fù)載提供功率輸出，這種變壓器開關(guān)電源稱為反激式開關(guān)電源。反激式開關(guān)電源中的變壓器起著儲能元件的作用，可以看作是一對互相耦合的電感。在實(shí)際應(yīng)用中，反激變換器又經(jīng)常被設(shè)計(jì)成不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM模式)和連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM模式)，以便根據(jù)具體的使用情況實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的最佳性能。

反激式開關(guān)電源一般由電源整流濾波電路，開關(guān)芯片，高頻變壓器，漏極箝位電路，反饋電路和輸出濾波電路組成。

電源濾波電路一方面消除來自電網(wǎng)的干擾，同時(shí)也防止開關(guān)電源產(chǎn)生的高頻噪聲向電網(wǎng)擴(kuò)散。輸入整流電路將電網(wǎng)輸入電壓進(jìn)行整流濾波，為高頻變壓器提供直流電壓。開關(guān)芯片是開關(guān)電源的關(guān)鍵部分，選擇一款好的開關(guān)芯片對開關(guān)電源的性能起著重大的作用。變壓器是整個(gè)電源的核心，它把直流高電壓變換成低電壓，并且起到將輸出部分與輸入電網(wǎng)隔離的作用。漏極箝位電路的作用是當(dāng)功率開關(guān)管(MOSFET)關(guān)斷時(shí)，對由高頻變壓器漏感所形成的尖峰電壓進(jìn)行鉗位和吸收，以防止開關(guān)管因過電壓而損壞。反饋電路和輸出濾波電路也是開關(guān)電源不可缺少的部分，其設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系著輸出電壓的穩(wěn)定性和質(zhì)量。

3.PI Expert的主要功能和特點(diǎn)

PI Expert是一個(gè)自動(dòng)化的圖形用戶界面(GUI)程序，通過接收用戶輸入的電源規(guī)格參數(shù)，自動(dòng)生成基于PI系列IC設(shè)計(jì)的電源方案。PI Expert提供了構(gòu)建和測試工作原型所需的一切信息，其中包括輸入電路、器件選擇、器件特性利用、箝位電路以及反饋電路在內(nèi)的完整示意圖和BOM.

PI Expert還提供完整的磁特性設(shè)計(jì)，也可生成用于機(jī)械裝配的詳細(xì)繞制說明。PIExpert的最新版本為V9.0.

運(yùn)用PI Expert設(shè)計(jì)開關(guān)電源有以下幾個(gè)步驟：

第一步：用設(shè)計(jì)向?qū)陆ㄒ粋€(gè)設(shè)計(jì)。

在向?qū)е形覀冃枰謩e選擇開關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，開關(guān)芯片、開關(guān)頻率、外殼、反饋類型、輸入電壓類型，輸出參數(shù)和優(yōu)化參數(shù)。

第二步：選擇主輸出繞組的匝數(shù)范圍和磁芯選擇范圍，之后點(diǎn)擊完成設(shè)計(jì)便可生成一個(gè)初步的開關(guān)電源電路圖和設(shè)計(jì)參數(shù)列表。

第三步：補(bǔ)充參數(shù)。在PI Expert窗口左側(cè)的“設(shè)計(jì)樹試圖”中補(bǔ)充設(shè)置一些未設(shè)置過的參數(shù)，如主輸出電壓，輸出繞組疊加方式，EMI濾波結(jié)構(gòu)等，設(shè)置完畢后點(diǎn)擊“開始優(yōu)化”即可完成。

第四步：手動(dòng)調(diào)整。由于軟件根據(jù)自身的算法計(jì)算元器件的值，所以存在非標(biāo)或不常用的問題，這會給物料采購帶來麻煩，這時(shí)候需要在合理的范圍內(nèi)調(diào)整器件的值。

設(shè)計(jì)完成后，PI Expert自動(dòng)生成電路圖、設(shè)計(jì)結(jié)果表單、電路板布局、材料清單和變壓器構(gòu)造示意圖，非常方便。

4.設(shè)計(jì)實(shí)例

本文基于PI Expert設(shè)計(jì)了一款兩路輸出(+5V/250mA，+12V/1A)的反激式開關(guān)電源，其輸入電壓為通用寬電壓85~265V.此電源采用PI公司TinySwitch-III系列產(chǎn)品中的TNY280PN作為開關(guān)芯片，高頻變壓器使用E E 1 9磁芯，具有輸出過載和短路保護(hù)功能。

4.1 電路設(shè)計(jì)

PI Expert會根據(jù)用戶輸入的規(guī)格參數(shù)自動(dòng)生成電路原理圖，其中，較為關(guān)鍵的參數(shù)有：

(1)輸出疊加方式：因?yàn)榻涣鳢B加式可提供較佳的交叉穩(wěn)壓和工作效率，故輸出繞組采用交流疊加的方式進(jìn)行互連。

(2)反饋類型：為了得到較佳的穩(wěn)壓效果，此處選擇使用TL431作為反饋，并使用偏置繞組進(jìn)一步減少開關(guān)電源的空載功耗。反饋電路的選擇直接決定著輸出電壓的穩(wěn)壓精度，反饋電路一般有初級反饋和次級反饋，次級反饋又有次級穩(wěn)壓管和次級TL431兩種電路形式。使用齊納二極管作為參考的次級側(cè)反饋電路在溫度變化時(shí)通?？商峁┘s±7%的輸出調(diào)整率，而帶TL-431的次級側(cè)反饋通常可為線電壓和負(fù)載漂移提供優(yōu)于±5%輸出電壓穩(wěn)壓精度。

(3)漏極箝位電路：PI Expert提供了三類不同的箝位電路。軟件會根據(jù)電源的總輸出功率自動(dòng)選擇最佳的箝位電路。由于此電源輸出功率在20W以下，故采用簡單的穩(wěn)壓二極管箝位電路。

PI Expert設(shè)計(jì)完成再手工調(diào)整后的開關(guān)電源。

4.2 高頻變壓器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)高頻變壓器是設(shè)計(jì)開關(guān)電源最關(guān)鍵的一步。PI Expert在生成原理圖的同時(shí)自動(dòng)生成變壓器的構(gòu)造圖。調(diào)整PI Expert左側(cè)“設(shè)計(jì)樹視圖”中的“變壓器”和“繞組結(jié)構(gòu)”參數(shù)即可調(diào)整變壓器的參數(shù)和結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)變壓器時(shí)需要注意以下兩點(diǎn)：

(1)為了減低漏感，功率最高的次級繞組應(yīng)離變壓器的初級繞組最近。若某個(gè)次級繞組的圈數(shù)較少，則該繞組要橫跨繞線區(qū)域的整個(gè)寬度，以便改善耦合。

(2)由于此電源采用次級側(cè)的穩(wěn)壓方式，偏置繞組應(yīng)位于初級繞組和次級繞組之間。當(dāng)偏置繞組位于初級和次級之間時(shí)，它相當(dāng)于一個(gè)連接至初級返回端的EMI屏蔽層，降低了電源產(chǎn)生的傳導(dǎo)EMI.

高頻變壓器的最終設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

磁芯型號：EE19

初級電感：880uH

初級繞組：漆包線，Φ0.2mm，87匝

偏置繞組：漆包線，Φ0.25mm，10匝

次級繞組1：三層絕緣線，Φ0.4mm，4匝

次級繞組2：三層絕緣線，Φ0.4mm，5匝

繞組順序(由里向外)：初級繞組，次級繞組2，次級繞組1，偏置繞組。

5.試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)以上的設(shè)計(jì)參數(shù)實(shí)際制作硬件進(jìn)行試驗(yàn)。

在額定負(fù)載情況下，當(dāng)輸入電壓為220V時(shí)，實(shí)測開關(guān)電源的輸出電壓波形如圖2所示。從圖上可以看出，開關(guān)電源的輸出特性良好，電壓波動(dòng)非常小。再測輸出的紋波波形如圖3所示，由圖上可以看出，5V的紋波普遍在±100mV左右，12V的紋波在±100mV以下，效果理想。額定負(fù)載情況下，當(dāng)輸入電壓為85V時(shí)，測試輸出電壓的波動(dòng)和紋波均在允許范圍內(nèi)，未出現(xiàn)電源復(fù)位重啟現(xiàn)象;當(dāng)輸入電壓為265V時(shí)，測試輸出電壓的波動(dòng)和紋波均在允許范圍內(nèi)，未出現(xiàn)電源復(fù)位重啟現(xiàn)象;再對電源作保護(hù)功能的測試。使開關(guān)電源的輸出過載或短路時(shí)，開關(guān)電源進(jìn)入2.5s間隔的自動(dòng)復(fù)位重啟保護(hù);輸出負(fù)載正常時(shí)開關(guān)電源恢復(fù)正常工作。

6.結(jié)語

試驗(yàn)證明本文基于PI Expert設(shè)計(jì)的反激式開關(guān)電源具有良好的工作性能和高可靠性。該電源結(jié)構(gòu)簡單，具有輸出過載和短路等保護(hù)功能。PI Expert是一款高效的設(shè)計(jì)工具，借助PI Expert軟件可以大大縮短開關(guān)電源的開發(fā)周期。