基于TOPSwitch及PI Expert的單端反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)

摘要：TOPSwitch單片開關(guān)電源芯片集PWM控制器和高壓MOSFET于一體，性能優(yōu)異，可靠性高。與之配套的PI Expert軟件，功能強(qiáng)大、使用簡單，用來設(shè)計(jì)開關(guān)電源可降低成本、縮短周期，提高效率。利用TOPSwilch及PI Expert設(shè)計(jì)了一種單端反激式多路輸出開關(guān)電源。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電源結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，輸出穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；反激變換器；變壓器：TOPSwitch

0 引言
    開關(guān)電源以其小型、輕量和高效率的特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于各種電氣設(shè)備和系統(tǒng)中，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。開關(guān)穩(wěn)壓電源有多種類型，其中單端反激式開關(guān)電源由于具有線路簡單，所需要的元器件少，能夠提供多路隔離輸出等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于小功率電源領(lǐng)域。
    傳統(tǒng)的單端反激電源一般由PWM控制芯片(如UC3842)和功率開關(guān)管(頻率較高時一般使用MOSFET)組成，PWM芯片控制環(huán)路設(shè)計(jì)復(fù)雜，容易造成系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，功率開關(guān)管有時需要外加驅(qū)動電路。另外，反激變壓器的設(shè)計(jì)也是一個難點(diǎn)，其往往導(dǎo)致電源設(shè)計(jì)周期延長。隨著PI公司生產(chǎn)的以TOPSwitch為代表的新一代單片開關(guān)電源的問世，以上諸多問題都得到了很好的解決。應(yīng)用TOPSwitch設(shè)計(jì)開關(guān)電源，不僅器件更少，結(jié)構(gòu)更簡單，發(fā)熱量更少，工作更可靠，而且與之配套的軟件設(shè)計(jì)平臺Pl Expert使得變壓器的設(shè)計(jì)也變得異常容易。兩者結(jié)合已成為一種高效的開關(guān)電源設(shè)計(jì)方案。本文以一個具體的設(shè)計(jì)實(shí)例，洋細(xì)闡述了如何應(yīng)用TOPSwitch及PI Expert進(jìn)行開關(guān)電源沒計(jì)，并通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 單端反激電源基本工作原理
    單端反激式開關(guān)電源的基本本作原理比較簡單。采用基本反饋電路的基于TOPSwitch的單端反激電路如圖l所示，其中變壓器T1具有能量存儲、原副邊隔離和電壓轉(zhuǎn)換三種作用。

    TOPSwitch開通時副邊整流二極管D2截止，此間輸出負(fù)載的能量由C1提供；TOPSwitch關(guān)斷后,變壓器磁心中的磁通減少,副邊繞組電壓極性反向，整流二極管開始導(dǎo)通,存儲在變壓器中的能量輸送給負(fù)載，同時補(bǔ)充C1先前減少的能量。
    根據(jù)變壓器原邊電流是否減小到零，可以將單端反激式開關(guān)電源分為斷續(xù)和連續(xù)兩種工作模式。不同工作模式對整個電源的效率以及相關(guān)參數(shù)的選擇都有一定影響。

2 TOPSwithch及PI Expert簡介
    TOPSwitch系列單片開關(guān)電源是美國Power Integrations(PI)公司開發(fā)的新型開關(guān)電源芯片，其將離線式開關(guān)電源所必需的各種功能模塊都集成到一塊芯片上，包括高壓功率場效應(yīng)管MOSFET、PWM控制器、高頻振蕩器、高壓啟動偏置電路、基準(zhǔn)電壓、誤差放大器、用于環(huán)路補(bǔ)償?shù)牟⒙?lián)偏置調(diào)整器以及各種保護(hù)電路等。
    TOPSwitch主要引腳有三個，分別為引腳DRAIN(D)、引腳SOURCE(S)和引腳CONTROL(C)，附加引腳包括過欠壓檢測(L)、電流限制(X)以及頻率選擇(F)。
    使用時需在C和S之間接一個47μF旁路電容，利用該電容的充電過程來實(shí)現(xiàn)電路的軟啟動。CONTROL引腳為誤差放大器和反饋輸入腳，實(shí)現(xiàn)占空比調(diào)節(jié)控制。
    PI Expert是Pl公司專門針對TOPSwitch開發(fā)的一種交互式電源設(shè)計(jì)軟件平臺。其特點(diǎn)是簡單易用、靈活方便，是一種高效的開關(guān)電源沒計(jì)工具。

3 設(shè)計(jì)實(shí)列
    本文設(shè)計(jì)一種單端反激式多路輸出開關(guān)電源，用作電氣傳動系統(tǒng)中的控制及驅(qū)動電源。其輸入電壓為交流85～265V，并要求整個電路結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，具有過欠壓保護(hù)功能。各路輸出之間相互電氣隔離，其中用作控制電源的一路要求輸出功率較大，穩(wěn)壓精度±5％，用作驅(qū)動的各路輸出功率較小，穩(wěn)壓精度±10%。
3.1 電路結(jié)構(gòu)選擇
    單端反激式開關(guān)電源的電路結(jié)構(gòu)根據(jù)采用的反饋方式的不同可分為以下幾種：
    (1)Primary/Basic型，利用繞組進(jìn)行反饋；
    (2)Primary/Bnhanced型，利用繞組和一個齊納二極管進(jìn)行反饋；
    (3)Opto/Zener型，利用光耦和齊納二極管進(jìn)行反饋；
    (4)Opto/TL43l型，利用光耦和精密基準(zhǔn)源TL43I進(jìn)行反饋。
    以上幾種結(jié)構(gòu)，性能依次增強(qiáng)，但成本和復(fù)雜程度也依次增加。
    Primary/Basic型結(jié)構(gòu)最簡單，只需要一個電阻，利用各繞組之間的磁耦合關(guān)系，直接采用繞組進(jìn)行反饋(圖1所示)。本設(shè)計(jì)采用這種結(jié)構(gòu)，并對要求有較高穩(wěn)壓精度的+5V控制電源一路加裝一片穩(wěn)壓芯片(如7805)，這樣既保證了所要求的輸出有足夠的穩(wěn)壓精度，同時也省去了反饋光耦和精密基準(zhǔn)源TL43l，電路結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，從成本上考慮也是可取的。
    系統(tǒng)電路圖如圖2所示。

    圖2中，P6KE200和BYV26C組成關(guān)斷過壓吸收電路，R1為過欠壓檢測電阻，R2為過流檢測電阻，NF為反饋繞組，RF為反饋電阻。
3.2 反激變壓器設(shè)計(jì)
    變壓器是開關(guān)電源的核心部件，其設(shè)計(jì)的好壞直接影響開關(guān)電源的性能。由于在反激式開關(guān)電源中，反激變壓器除了實(shí)現(xiàn)原副邊隔離和電壓轉(zhuǎn)換外，還承擔(dān)儲能的作用，所以在常規(guī)的變壓器設(shè)計(jì)方法基礎(chǔ)之上，反激變壓器的設(shè)計(jì)還要特別關(guān)注原邊電感量這個重要參數(shù)，其直接影響變壓器儲能的大小。
    手工設(shè)計(jì)反激變壓器非常復(fù)雜。需要計(jì)算原邊電感量，根據(jù)功率初步選定一個磁芯和骨架，計(jì)算原副邊匝數(shù)，計(jì)算線徑，計(jì)算氣隙長度，最后核算窗口面積和最大磁通密度，如超過限定值。則需重新設(shè)計(jì)。經(jīng)過反復(fù)的計(jì)算及修改，直到滿足要求為止。
    應(yīng)用PI Expert軟件只需經(jīng)過幾步簡單的操作，就能得到設(shè)計(jì)結(jié)果，包括所推薦的變壓器磁芯型號、原副邊匝數(shù)、導(dǎo)線線徑、原邊電感量和T0P-Switch芯片型號等關(guān)鍵參數(shù)。最終設(shè)計(jì)參數(shù)如下：
    TOPSwitch芯片型號 TOP243Y；
    磁芯型號 EI22；
    原邊電感 600μH；
    原邊匝數(shù) 原邊56匝；
    副邊匝數(shù) 3匝(5V)，8匝(15V)；
    反饋繞組匝數(shù) 4匝；
    線徑 35AWG(原邊)，31-35AWG
    (15V)，2l-25AWG（5V）。
    另外，在此基礎(chǔ)上還可以用PI公司提供的PI Transformer Designer軟件對變壓器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析
    根據(jù)以上設(shè)計(jì)，實(shí)際構(gòu)建了一個基于TOP243Y的單端反激式多路輸出開關(guān)電源硬件電路進(jìn)行試驗(yàn)。
4.1 自動重啟試驗(yàn)
    為了掌握TOPSwitch芯片的工作特性，在搭建好試驗(yàn)電路后，斷開芯片控制端的反饋電路，僅在漏源之間加一個30V左右的低電壓對其進(jìn)行自動重啟試驗(yàn)。圖3為自動重啟過程波形圖。通道l為漏極電壓波形，通道2為控制端電壓波形。從圖3中可以看出，控制端電壓VC保持在4.8～5.8V之間，這是由芯片內(nèi)部的高壓電流源不斷對控制端電容進(jìn)行充放電形成的。每經(jīng)過8個這樣的充放電周期，芯片將重啟一次，這樣極大地減少了芯片的功耗。另外，一些電路故障(如輸出短路)也會導(dǎo)致TOPSwitch芯片進(jìn)入自動重啟過程。

4.2 負(fù)載試驗(yàn)
    在AC l00V輸入情況下，給所有輸出帶上額定負(fù)載。通過長時間考核實(shí)驗(yàn)后，各路電源輸出穩(wěn)定、輸出電壓值滿足設(shè)計(jì)要求。其中兩路的輸出電壓波形如圖4所示。

    輕載時電源工作在斷續(xù)模式，斷續(xù)模式時輸出電壓對負(fù)載變化比較敏感；滿載時電源工作在連續(xù)模式，連續(xù)模式時負(fù)載波動對輸出電壓的影響較小。斷續(xù)和連續(xù)時TOPSwitch管漏源電壓波形如圖5所示。
    另外，還選擇了其中的5V/lA和15V/100mA兩路進(jìn)行了 200％過載試驗(yàn)。過載這兩路輸出電壓比設(shè)計(jì)值下降約lV，輸出電壓紋波明顯增大，TOP管發(fā)熱量增加，變壓器發(fā)熱量增加且有微響，輸出濾波電容發(fā)燙；額定負(fù)載的幾路輸出電壓也下降了約O.5V，其它正常。半小時后，TOPSwitch管過熱保護(hù)。
4.3 過欠壓保護(hù)試驗(yàn)
    過欠壓檢測電阻取值為2MΩ，當(dāng)輸入交流整流后的直流電壓低于100V時欠壓保護(hù)動作，高于450V時過壓保護(hù)動作。無論是過壓還是欠壓，都將導(dǎo)致TOPSwitch管停止工作，直到過欠壓情況消失，系統(tǒng)才能恢復(fù)正常工作。
4.4 單點(diǎn)故障試驗(yàn)
    為了保證電路的可靠性，對電路中的不同器件和不同關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了開路、短路試驗(yàn)。針對一路輸出的單點(diǎn)測試方案包括以下幾項(xiàng)試驗(yàn)：a漏極、控制端開路試驗(yàn)；b控制端外接電容短路、開路試驗(yàn)；c原邊繞組短路、開路試驗(yàn)；d副邊繞組或輸出整流二極管短路、開路試驗(yàn)；e輸出濾波電容短路、開路試驗(yàn)。
    試驗(yàn)結(jié)果如表1所列。其中a至e代表上面提及的試驗(yàn)項(xiàng)目，b（短）表示b項(xiàng)目控制端外接電容短路，b（開）表示b項(xiàng)目控制端外接電容開路，其他依此類推。

5 結(jié)語
    試驗(yàn)證明本文所設(shè)計(jì)的單端反激式多路輸出開關(guān)電源具有良好的工作性能。該電路所用器件少，結(jié)構(gòu)精簡，控制方式簡單，具有過欠壓等保護(hù)功能，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和電磁兼容能力。采用TOPSwitch系列芯片結(jié)合PI Expert軟件進(jìn)行開關(guān)電源設(shè)計(jì)，周期短，成本低，效率高。