利用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)單片開關(guān)電源

1設(shè)計(jì)概述

自從20世紀(jì)90年代以來，各種單片開關(guān)電源集成電路競相問世，現(xiàn)已形成TOPSwitch、TOPSwitch?? Ⅱ、TOPSwitch?睩X、TOPSwitch?睪X、TinySwitch和TinySwitch?睮I六大系列近百種型號(hào)。它們具有高集成度、高性價(jià)比、最簡外圍電路、最佳性能指標(biāo)等顯著優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為國際上開發(fā)250W以下中、小功率開關(guān)電源、精密開關(guān)電源及電源模塊的優(yōu)選集成電路。

單片開關(guān)電源不僅在整機(jī)電路設(shè)計(jì)、高頻變壓器設(shè)計(jì)、反饋電路、保護(hù)電路和關(guān)鍵元器件的選擇方面有許多獨(dú)到之處，而且特別適合用計(jì)算機(jī)來完成整個(gè)開關(guān)電源的設(shè)計(jì)工作，這已成為國際電源領(lǐng)域的一項(xiàng)新技術(shù)。由美國PI(PowerIntegrations)公司開發(fā)的PIExpert軟件正是采用了這項(xiàng)技術(shù)。但是，該軟件沒有作為商品對外出售，所贈(zèng)送的光盤也對軟件的安裝使用次數(shù)以及運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行了嚴(yán)格限制，軟件的原代碼更列為公司的最高機(jī)密。此外，PIExpert軟件亦存在某些不足之處，突出表現(xiàn)在每種系列產(chǎn)品各對應(yīng)于一套專門的軟件，并且只能對現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此，也給用戶使用帶來一些不便之處。

為解決上述問題，促使這項(xiàng)新技術(shù)能夠在國內(nèi)迅速推廣應(yīng)用，我們在參考PIExpert的基礎(chǔ)上，利用 VisualBasic(以下簡稱VB)語言獨(dú)立開發(fā)出通用性很強(qiáng)的KDPExpert專家系統(tǒng)，為開關(guān)電源設(shè)計(jì)人員提供了一套功能強(qiáng)大而又簡便實(shí)用的設(shè)計(jì)軟件。該軟件不僅適用于TOPSwitch、TOPSwitch?并頡?TOPSwitch?睩X和TOPSwitch?睪X系列，還為將來問世的新產(chǎn)品預(yù)留出足夠的接口。本講座詳細(xì)闡述利用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)單片開關(guān)電源的新技術(shù)以及KDPExpert軟件的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)方法、界面風(fēng)格和使用指南。為了敘述方便，下面統(tǒng)一用TOPSwitch來表示TOPSwitch、TOPSwitch?并頡?TOPSwitch?睩X和TOPSwitch?睪X系列。

2單片開關(guān)電源的兩種工作模式

單片開關(guān)電源有兩種基本工作模式：一種是連續(xù)模式CUM(ContinuousMode)，另一種是不連續(xù)模式

圖1兩種模式的開關(guān)電流波形

(a)連續(xù)模式(b)不連續(xù)模式

DUM(DiscontinuousMode)。這兩種模式的開關(guān)電流波形分別如圖1(a)及圖1(b)所示。由圖可見，在連續(xù)模式下，初級開關(guān)電流是從一定幅度開始的，然后上升到峰值，再迅速回零。其開關(guān)電流波形呈梯形。這表明在連續(xù)模式下，由于儲(chǔ)存在高頻變壓器的能量在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)并未全部釋放掉，因此下一個(gè)開關(guān)周期具有一個(gè)初始能量。采用連續(xù)模式可減小初級峰值電流IP和有效值電流IRMS，降低芯片的功耗。但連續(xù)模式要求增大初級電感量LP，這會(huì)導(dǎo)致高頻變壓器的體積增大。綜上所述，連續(xù)模式適用于功率較小的TOPSwitch和尺寸較大的高頻變壓器。

不連續(xù)模式的開關(guān)電流是從零開始上升到峰值，再降至零的。這就意味著儲(chǔ)存在高頻變壓器中的能量必須在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)完全釋放掉，其開關(guān)電流波形呈三角形。不連續(xù)模式下的IP、IRMS值較大，但所需要的LP較小。因此，它適合于采用輸出功率較大的 TOPSwitch，配尺寸較小的高頻變壓器。

3單片開關(guān)電源反饋電路的四種基本類型

單片開關(guān)電源的電路可以千變?nèi)f化，但其反饋電路只有四種基本類型：

(1)基本反饋電路;

(2)改進(jìn)型基本反饋電路;

(3)配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路;

(4)配TL431的光耦反饋電路。

它們的簡化電路如圖2所示。

圖2(a)為基本反饋電路，其優(yōu)點(diǎn)是電路簡單，成本低廉，適于制作小型化、經(jīng)濟(jì)性開關(guān)電源;其缺點(diǎn)是穩(wěn)壓性能較差，電壓調(diào)整率SV=±1.5%～±2.5%，負(fù)載調(diào)整率SI≈±5%。

圖2反饋電路的四種基本類型

(a)基本反饋電路(b)改進(jìn)型基本反饋電路(c)配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路(d)配TL431的光耦反饋電路

當(dāng)f=130kHz時(shí)，Δf=±4kHz;當(dāng)f=65kHz時(shí)，Δf=±2kHz。

表1單片開關(guān)電源典型產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)

圖2(b)為改進(jìn)型基本反饋電路，只需增加一只穩(wěn)壓管VDZ和電阻R1，即可使負(fù)載調(diào)整率達(dá)到±2%。VDZ的穩(wěn)定電壓一般為22V，必須相應(yīng)增加反饋繞組的匝數(shù)，以獲得較高的反饋電壓UFB，滿足電路的需要。

圖2(c)是配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路。由VDZ提供參考電壓UZ，當(dāng)輸出電壓UO發(fā)生波動(dòng)時(shí)，在光耦內(nèi)部的 LED上可獲得誤差電壓。因此，該電路相當(dāng)于給TOPSwitch增加一個(gè)外部誤差放大器，再與內(nèi)部誤差放大器配合使用，即可對UO進(jìn)行調(diào)整。這種反饋電路能使電壓調(diào)整率達(dá)到±1%以下。[!--empirenews.page--]

圖2(d)是配TL431的光耦反饋電路，其電路較復(fù)雜，但穩(wěn)壓性能最佳。這里用TL431型可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器來代替普通的穩(wěn)壓管，構(gòu)成外部誤差放大器，進(jìn)而對UO作精細(xì)調(diào)整，可使電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率均達(dá)到±0.2%，能與線性穩(wěn)壓電源相媲美。這種反饋電路適于構(gòu)成精密開關(guān)電源。

在設(shè)計(jì)單片開關(guān)電源時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來選擇合適的反饋電路，才能達(dá)到規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)。

4單片開關(guān)電源典型產(chǎn)品的主要技術(shù)指標(biāo)

詳見表1。

5用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)單片開關(guān)電源的程序流程圖

設(shè)計(jì)高性價(jià)比的開關(guān)電源，所涉及的知識(shí)面很廣。設(shè)計(jì)人員不僅要掌握各種TOPSwitch系列產(chǎn)品的工作原理和應(yīng)用電路，還必須了解有關(guān)通用及特種半導(dǎo)體器件、模擬與數(shù)字電路、電磁兼容性、熱力學(xué)等方面的知識(shí)。按照傳統(tǒng)方法，開關(guān)電源要全部靠人工設(shè)計(jì)，不僅工作量大，效率低，而且因設(shè)計(jì)時(shí)的變量多，難于準(zhǔn)確估算，使得設(shè)計(jì)結(jié)果與實(shí)際情況相差較大，還需多次反復(fù)修正。單片開關(guān)電源的問世，使開關(guān)電源的設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。而利用計(jì)算機(jī)來設(shè)計(jì)開關(guān)電源，還能充分發(fā)揮高科技的優(yōu)勢，極大地減輕設(shè)計(jì)人員的工作量并可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

開關(guān)電源的優(yōu)化設(shè)計(jì)是由三部分組成的：

(1)一組完整的程序流程圖;

(2)一套簡單實(shí)用的設(shè)計(jì)程序;

(3)一套正確的“電子數(shù)據(jù)表格”。表中的信息包括輸入數(shù)據(jù)(已知條件)、中間變量和最終結(jié)果。

圖3開關(guān)電源的基本電路

圖4設(shè)計(jì)步驟1-11的程序流程圖

圖5設(shè)計(jì)步驟12-24的程序流程圖

圖6設(shè)計(jì)步驟25-35的程序流程圖

全部計(jì)算過程就是用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。設(shè)計(jì)完畢時(shí)，電子數(shù)據(jù)表格也就自動(dòng)生成了。上述過程可用程序流程圖形象地表示出來。由TOPSwitch構(gòu)成開關(guān)電源的基本電路如圖3所示。下面就以該電路為例，介紹用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)的全部程序流程圖，詳見圖4-圖6。現(xiàn)將整個(gè)設(shè)計(jì)過程分成4個(gè)階段，共35個(gè)步驟：

(1)步驟1-步驟2：確定總體設(shè)計(jì)方案，選擇反饋電路類型;

(2)步驟3-步驟11：選擇TOPSwitch芯片。為降低成本，要求芯片既能滿足輸出功率的指標(biāo)，又不留出過多余量;

(3)步驟12-步驟24：設(shè)計(jì)高頻變壓器。它應(yīng)符合技術(shù)要求且外形尺寸為最小;

(4)步驟25-步驟35：選擇外圍電路中的關(guān)鍵元器件。