TOPSwitch_GX系列單端反激式開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　開(kāi)關(guān)電源被稱(chēng)為高效節(jié)能型電源，因?yàn)閮?nèi)部電路工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，自身消耗的能量很低，電源效率可達(dá)80%左右。而通常開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)使用控制電路與功率MOSFET相分立的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但這種方案開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，成本高，系統(tǒng)可靠性差。TOPSwitch系列智能開(kāi)關(guān)電源集成芯片具有高集成度、高性?xún)r(jià)比、最簡(jiǎn)外圍電路、最佳性能指標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)，從而提高了電源的效率，降低了成本，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性，因此被廣泛地應(yīng)用在中小功率電源中。

　　2 TOPSwitch_GX器件介紹

　　TOPSwitch_GX系列是單片開(kāi)關(guān)電源第四代產(chǎn)品，他將高壓功率MOSFET、PWM控制、過(guò)電流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、關(guān)斷/自動(dòng)重啟動(dòng)電路和其他電路高性?xún)r(jià)比地集成在單片CMOS上，還具有從芯片外部設(shè)定電流極限值、軟啟動(dòng)、頻率抖動(dòng)、過(guò)電壓關(guān)斷、欠電壓保護(hù)、過(guò)熱滯后關(guān)斷等功能[1]。通過(guò)高頻變壓器使輸出端與電網(wǎng)完全隔離，真正實(shí)現(xiàn)了無(wú)工頻變壓器、隔離式開(kāi)關(guān)電源的單片集成化，使電源設(shè)計(jì)應(yīng)用更加靈活、方便。

　　TOPSwitch_GX屬于漏極開(kāi)路輸出并且利用電流來(lái)線(xiàn)性調(diào)節(jié)占空比的AC/DC電源變換器，即電流控制型開(kāi)關(guān)電源。通過(guò)改變控制端電流IC的大小，能連續(xù)調(diào)節(jié)脈沖占空比，實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制（PWM），它內(nèi)部的脈寬調(diào)制器是一個(gè)電流反饋式的控制電路，利用反饋電流IC來(lái)調(diào)節(jié)占空比D,達(dá)到穩(wěn)壓目的。當(dāng)輸出電壓UO降低時(shí)，經(jīng)過(guò)光耦反饋電路使得IC減小，占空比增大，輸出電壓隨之升高，最終使UO維持不變。其中，脈寬調(diào)制（PWM）采用開(kāi)關(guān)頻率固定而占空比可調(diào)的調(diào)試方式。

　　3 電路設(shè)計(jì)

　　以TOPSwitch_GX中的TOP245Y為例介紹此類(lèi)控制芯片的應(yīng)用。圖1是使用TOP245Y設(shè)計(jì)出的三路輸出＋15V/0.5A、－15V/0.5A、＋5V/2A，總輸出功率25W。由于TOPSwitch集成度高，設(shè)計(jì)工作主要針對(duì)外圍電路進(jìn)行，外圍電路可分為輸入整流濾波電路、鉗位保護(hù)電路、變壓器、輸出整流濾波電路及反饋電路5部分[3]。設(shè)供電條件為85V~220VAC(15%)，工頻，若不加說(shuō)明，以下設(shè)計(jì)均以此條件為前提，根據(jù)各路輸出功率之和，選擇TOPSwitch芯片，可得到該型號(hào)芯片的各項(xiàng)參數(shù)。

圖1 設(shè)計(jì)的電路原理圖

　　3.1 輸入整流濾波電路設(shè)計(jì)

　　輸入整流濾波電路包括輸入交流濾波、整流、電容穩(wěn)壓三部分。交流濾波主要是濾除交流輸入端的共模干擾和差模干擾，其中C1為安規(guī)電容，是為了去除差模干擾；L1為共模電感，采取雙線(xiàn)并繞，是為了去除共模干擾。整流電路一般選用滿(mǎn)足電流閾值的整流橋。輸入濾波電容C2的容量與電源效率、輸出功率密切相關(guān)。一般對(duì)于寬范圍輸入的開(kāi)關(guān)電源，C2的容量可按比例系數(shù)來(lái)選??；固定輸入時(shí)，比例系數(shù)變成。此外，輸入濾波電容的容量大小還決定著直流高壓的數(shù)值。

　　3.2 鉗位保護(hù)電路設(shè)計(jì)

　　每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，TOPSwitch的關(guān)斷將導(dǎo)致變壓器漏感產(chǎn)生尖峰電壓。鉗位保護(hù)電路由VS和VD構(gòu)成。其中，VS為瞬態(tài)電壓抑制器，它是一種新型的過(guò)電壓保護(hù)器件，在承受瞬態(tài)高能量電壓時(shí)，能迅速反向擊穿，由高阻態(tài)變成低阻態(tài)，并把干擾脈沖鉗位于規(guī)定值，從而保證電子元器件不受損壞。VD稱(chēng)為阻塞二極管，一般選用快恢復(fù)二極管。VS和VD的選擇由反射電壓VOR決定，VOR推薦值為135V。VS的鉗位電壓V 由經(jīng)驗(yàn)公式V=1.5VOR得出；VD的耐壓值應(yīng)大于整流后的最大電壓值。

　　3.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)

　　在單端反激式開(kāi)關(guān)電源中，高頻變壓器既是儲(chǔ)能元件又是傳遞能量的主體，設(shè)計(jì)的主要參數(shù)包括初級(jí)電感量LP，變壓器變比 N，初、次級(jí)繞組匝數(shù)NP、NS和反饋繞組匝數(shù) NF 以及各繞組導(dǎo)線(xiàn)線(xiàn)徑等。

　　PI公司設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)軟件是一種交互式軟件，可以針對(duì)相關(guān)的硬件芯片、按照使用者提出的電源規(guī)范產(chǎn)生具體能量轉(zhuǎn)換方案。其中包括三個(gè)設(shè)計(jì)軟件分別是：PI Expert、PI Transformers Designer、PIXLs Designer[4]。根據(jù)輸入的電壓、輸出功率及芯片型號(hào)，PI Expert軟件可完成電路設(shè)計(jì)的基本結(jié)構(gòu)。PI Transformers Designer軟件是用來(lái)設(shè)計(jì)變壓器的繞線(xiàn)結(jié)構(gòu)、各繞組匝數(shù)及線(xiàn)徑等有關(guān)變壓器的各參數(shù)，只需把用PI Expert軟件設(shè)計(jì)保存的文件在PI Transformers Designer中打開(kāi)即可。另外，也可以用PIXLs Designer軟件來(lái)設(shè)計(jì)成電子表格形式的，用此軟件必需要首先選定TOPSwitch型號(hào)和變壓器磁心型號(hào)，利用此軟件可以比較清楚地知道電路設(shè)計(jì)過(guò)程中的一些性能參數(shù)及變壓器設(shè)計(jì)的一些中間變量值。但是，在利用這類(lèi)軟件設(shè)計(jì)高頻變壓器之前，必須對(duì)變壓器的設(shè)計(jì)過(guò)程及有關(guān)的一些名詞要有所了解，這樣才能設(shè)計(jì)出高效率高性能的變壓器。

　　3.4 輸出整流濾波電路設(shè)計(jì)

　　輸出整流濾波電路由整流二極管和濾波電容構(gòu)成，輸出整流二極管的開(kāi)關(guān)損耗占系統(tǒng)損耗的六分之一到五分之一，是影響開(kāi)關(guān)電源效率的主要因素。肖特基二極管是近年來(lái)間世的低功耗、大電流、超高速半導(dǎo)體器件，由于其反向恢復(fù)時(shí)間極短（可以小到幾納秒），正向?qū)▔航祪H0.4V左右，而整流電流可達(dá)到幾千安培。這些優(yōu)良特性是快恢復(fù)二極管所無(wú)法比擬的。因此適合作為開(kāi)關(guān)電源中的低壓整流管。

　　3.5 反饋電路設(shè)計(jì)

　　開(kāi)關(guān)電源的反饋回路有4種基本形式：基本反饋電路；改進(jìn)型反饋電路；帶穩(wěn)壓管的光耦反饋電路和帶TL431的光耦反饋電路[2]。反饋回路的形式依據(jù)輸出電壓精度而決定，本方案使用的“光耦＋TL431”。電壓反饋信號(hào)經(jīng)分壓網(wǎng)絡(luò)引入TL431的參考端，轉(zhuǎn)化為電流反饋信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)光耦隔離后輸入TOPSwitch的控制端。

　　TL431稱(chēng)為可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器，利用兩只外部電阻可設(shè)定2.50~36V范圍內(nèi)的任何基準(zhǔn)電壓值。其工作原理是當(dāng)輸出電壓UO發(fā)生波動(dòng)時(shí)，經(jīng)電阻分壓后得到的取樣電壓就與TL431中的2.5V帶隙基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，在陰極上形成誤差電壓，使發(fā)光二極管的工作電流IF產(chǎn)生相應(yīng)變化，再通過(guò)光耦去改變控制端電流IC的大小，調(diào)節(jié)TOPSwitch的輸出占空比，使UO不變，從而達(dá)到穩(wěn)壓目的。根據(jù)TL431的工作原理，兩個(gè)分壓電阻的選取要求比較嚴(yán)格，因此可把上面的一個(gè)分壓電阻設(shè)計(jì)成一個(gè)固定阻值電阻和一個(gè)可調(diào)電阻的串聯(lián)，用來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓的精度。

　　在設(shè)計(jì)光耦反饋式開(kāi)關(guān)電源時(shí)，光耦的選取可根據(jù)以下原則：光耦的電流傳輸比（CTR）的允許范圍是50%~200%，并且要用線(xiàn)性光耦。因?yàn)槠胀ü怦畹腃TR-IF特性呈非線(xiàn)性，在IF較小時(shí)的非線(xiàn)性失真尤為嚴(yán)重，不適合傳輸模擬信號(hào)。還有，在設(shè)計(jì)反饋回路時(shí)，反饋信號(hào)要經(jīng)過(guò)光耦隔離后輸入TOPSwitch的控制端，而控制端的電流IC和占空比D有關(guān)，所以光耦的反饋電流以及與其有關(guān)的電阻阻值的選取比較重要，直接決定電路反饋回路性能。

　　4 測(cè)試結(jié)果分析

　　根據(jù)以上設(shè)計(jì)原則，使用TOP245Y芯片設(shè)計(jì)出了＋5V/2A、+15V/0.5A、-15V/0.5A三路輸出開(kāi)關(guān)電源，圖2～圖4給出了實(shí)測(cè)波形。由圖可見(jiàn)，滿(mǎn)載時(shí)，電源工作在最大占空比35%左右。輸出紋波由變壓器漏感導(dǎo)致的尖峰電壓及輸出整流二極管關(guān)斷時(shí)所產(chǎn)生，這些提高變壓器制造工藝以及優(yōu)化PCB布線(xiàn)等方法加以改善。

　　5 結(jié)論

　　本文采用TOP245Y設(shè)計(jì)出了一種三路輸出單端反激式開(kāi)關(guān)電源并給出了設(shè)計(jì)方法。論文針對(duì)開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的5部分電路分別進(jìn)行了分析和工程設(shè)計(jì)，提出了改進(jìn)電路設(shè)計(jì)和性能的方法。另外，在畫(huà)PCB圖時(shí)需注意：TOPSwitch開(kāi)關(guān)的源腳引線(xiàn)應(yīng)非常短，旁路電容應(yīng)盡可能靠近源腳和控制腳，同時(shí)源腳應(yīng)單點(diǎn)接地；開(kāi)關(guān)電源在輕載或空載輸出時(shí)，為了抑制輸出電壓偏高，應(yīng)在輸出端加一個(gè)假負(fù)載電阻。這些有助于提高開(kāi)關(guān)電源的性能和效率。