基于PI Expert的反激式開關(guān)電源設(shè)計方案

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)計一款具有高性價比的開關(guān)電源并非易事，需要設(shè)計人員具備豐富的理論知識和實踐經(jīng)驗。按照傳統(tǒng)的手工設(shè)計方法，開關(guān)電源需要計算的參數(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，Power Integrations公司推出了PI Expert電源設(shè)計軟件，大大地減輕了設(shè)計人員的工作量。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時，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。在實際應(yīng)用中，反激變換器又經(jīng)常被設(shè)計成不連續(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，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是一個自動化的圖形用戶界面(GUI)程序，通過接收用戶輸入的電源規(guī)格參數(shù)，自動生成基于PI系列IC設(shè)計的電源方案。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，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)計開關(guān)電源有以下幾個步驟：

第一步：用設(shè)計向?qū)陆ㄒ粋€設(shè)計。

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)計便可生成一個初步的開關(guān)電源電路圖和設(shè)計參數(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：手動調(diào)整。由于軟件根據(jù)自身的算法計算元器件的值，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，這時候需要在合理的范圍內(nèi)調(diào)整器件的值。

設(shè)計完成后，PI Expert自動生成電路圖、設(shè)計結(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)計實例

本文基于PI Expert設(shè)計了一款兩路輸出(+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

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

(1)輸出疊加方式：因為交流疊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通?？商峁┘s±7%的輸出調(diào)整率，而帶TL-431的次級側(cè)反饋通?？蔀榫€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)計完成再手工調(diào)整后的開關(guān)電源原理圖如圖1所示。

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