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TOPSwitch及PI Expert設(shè)計(jì)了一種單端反激式多路輸出開關(guān)電源。試驗(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

Abstract:TOPSwitch series integrated with PWM controller and high voltage MOSFET has high performance and reliability. The related software PI Expert which is easy to utilize can be applied to design switching mode power supplies (SMPS) with low cost and short design circle. A multiple output Flyback SMPS circuit is designed based on TOPSwitch and PI Expert. The experiment results show that the SMPS circuit has simple circuit topology, reliable working performance and stable output.

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(gè)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(shí)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(shí)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(gè)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PI 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(gè)具體的設(shè)計(jì)實(shí)例，詳細(xì)闡述了如何應(yīng)用TOPSwitch 及PI Expert進(jìn)行開關(guān)電源設(shè)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)電源的基本工作原理比較簡單。采用基本反饋電路的基于TOPSwitch 的單端反激電路如圖1 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。

圖1 單端反激電源原理圖

　　TOPSwitch 開通時(shí)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(shí)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(gè)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PowerIntegrations（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(gè)，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(shí)需在C和S之間接一個(gè)47滋F 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PI 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)電源設(shè)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耀265V，并要求整個(gè)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)壓精度依5豫，用作驅(qū)動的各路輸出功率較小，穩(wěn)壓精度依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(gè)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/TL431 型，利用光耦和精密基準(zhǔn)源TL431 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)簡單，只需要一個(gè)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(shí)也省去了反饋光耦和精密基準(zhǔn)源TL431，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為過欠壓檢測電阻袁R2為過流檢測電阻，NF為反饋繞組袁RF為反饋電阻。

圖2 系統(tǒng)電路圖

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(gè)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(gè)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，核算窗口面積和磁通密度，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TOP原Switch 芯片型號等關(guān)鍵參數(shù)。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），21-25AWG（5V）。

　　另外，在此基礎(chǔ)上還可以用PI 公司提供的PITransformer 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(gè)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(gè)30 V 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1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(gè)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。

圖3 自動重啟過程波形圖

4.2 負(fù)載試驗(yàn)

　　在AC 100V輸入情況下.56 Tf，給所有輸出帶上額定負(fù)載。通過長時(shí)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。

圖4 兩路輸出電壓波形圖

　　輕載時(shí)電源工作在斷續(xù)模式，斷續(xù)模式時(shí)輸出電壓對負(fù)載變化比較敏感；滿載時(shí)電源工作在連續(xù)模式，連續(xù)模式時(shí)負(fù)載波動對輸出電壓的影響較小。斷續(xù)和連續(xù)時(shí)TOPSwitch管漏源電壓波形如圖5所示。

圖5 不同工作模式下漏源電壓波形

　　另外，還選擇了其中的5V/1A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1 V，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0.5V，其它正常。半小時(shí)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2M贅，當(dāng)輸入交流整流后的直流電壓低于100 V時(shí)欠壓保護(hù)動作，高于450V時(shí)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。

參考文獻(xiàn)

[1] Power Integrations INC 援TOPSwitch Flyback Design Methodology[Z]. Power Intgrated. 1996.
[2] Leman B R.Flyback Power Supply Reduces Component Count to Cut Cost and Size [A]. Technical Papers of the
Tenth International High Frequency Power Conversion Conference[C]. 1995.
[3] 黃先進(jìn)，林飛. 基于TOPSwitchII的小功率五路輸出開關(guān)電源的設(shè)計(jì)[J]. 通信電源技術(shù)，2004，21(5).

作者簡介
張國鋼（1982原），男，博士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動。
劉志剛（1961-）男，教授，博士生導(dǎo)師，北京交通大學(xué)研究生院副院長。