利用計算機設(shè)計單片開關(guān)電源

1設(shè)計概述

自從20世紀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?FX、TOPSwitch?GX、TinySwitch和TinySwitch?II六大系列近百種型號。它們具有高集成度、高性價比、最簡外圍電路、最佳性能指標等顯著優(yōu)點，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)電源不僅在整機電路設(shè)計、高頻變壓器設(shè)計、反饋電路、保護電路和關(guān)鍵元器件的選擇方面有許多獨到之處，而且特別適合用計算機來完成整個開關(guān)電源的設(shè)計工作，這已成為國際電源領(lǐng)域的一項新技術(shù)。由美國PI(PowerIntegrations)公司開發(fā)的PIExpert軟件正是采用了這項技術(shù)。但是，該軟件沒有作為商品對外出售，所贈送的光盤也對軟件的安裝使用次數(shù)以及運行時間進行了嚴格限制，軟件的原代碼更列為公司的最高機密。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)品進行設(shè)計。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)語言獨立開發(fā)出通用性很強的KDPExpert專家系統(tǒng)，為開關(guān)電源設(shè)計人員提供了一套功能強大而又簡便實用的設(shè)計軟件。該軟件不僅適用于TOPSwitch、TOPSwitch?并頡?TOPSwitch?FX和TOPSwitch?GX系列，還為將來問世的新產(chǎn)品預(yù)留出足夠的接口。本講座詳細闡述利用計算機設(shè)計單片開關(guān)電源的新技術(shù)以及KDPExpert軟件的設(shè)計思想，設(shè)計方法、界面風格和使用指南。為了敘述方便，下面統(tǒng)一用TOPSwitch來表示TOPSwitch、TOPSwitch?并頡?TOPSwitch?FX和TOPSwitch?GX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，由于儲存在高頻變壓器的能量在每個開關(guān)周期內(nèi)并未全部釋放掉，因此下一個開關(guān)周期具有一個初始能量。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，這會導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。這就意味著儲存在高頻變壓器中的能量必須在每個開關(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)點是電路簡單，成本低廉，適于制作小型化、經(jīng)濟性開關(guān)電源;其缺點是穩(wěn)壓性能較差，電壓調(diào)整率SV=±1.5%～±2.5%，負載調(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f=130kHz時，Δf=±4kHz;當f=65kHz時，Δf=±2kHz。

表1單片開關(guān)電源典型產(chǎn)品的技術(shù)指標

圖2(b)為改進型基本反饋電路，只需增加一只穩(wěn)壓管VDZ和電阻R1，即可使負載調(diào)整率達到±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，當輸出電壓UO發(fā)生波動時，在光耦內(nèi)部的 LED上可獲得誤差電壓。因此，該電路相當于給TOPSwitch增加一個外部誤差放大器，再與內(nèi)部誤差放大器配合使用，即可對UO進行調(diào)整。這種反饋電路能使電壓調(diào)整率達到±1%以下。