新型TOPSwitch-GX系列電源的PI設(shè)計(jì)

電源設(shè)計(jì)需要考慮有關(guān)半導(dǎo)體器件、模擬電路、數(shù)字電路、電磁特性、電磁兼容性、熱力學(xué)等多方面。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法要靠人工來(lái)完成，其步驟繁瑣、工作量大、效率低。而電源模塊SG3525或UC3842的外圍電路又較復(fù)雜，電路中某個(gè)元器件參數(shù)稍不合適。電源就不能穩(wěn)定工作。為此，本文給出了采用PI Expert電源設(shè)計(jì)軟件對(duì)電源模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)基本方法。

1 TOPSwitch—GX系列產(chǎn)品的性能特點(diǎn)

PowerIntegration公司在第三代單片開(kāi)關(guān)電源TOPSwitch—FX基礎(chǔ)上推出的第四代單片開(kāi)關(guān)電源TOPSwitch—GX系列芯片。其最大輸出功率已擴(kuò)展到290 W。由于將高壓功率MOSFET、PWM控制、故障保護(hù)和其它控制電路高性?xún)r(jià)比地集成在單片CMOS芯片上，再加上其可在啟動(dòng)時(shí)消除過(guò)沖、降低元件應(yīng)力的軟起動(dòng)、小EMI頻率抖動(dòng)、欠壓保護(hù)和過(guò)壓關(guān)斷、可編程限流和獨(dú)有的Ecosmart節(jié)能等技術(shù)。該芯片可大大簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，縮短設(shè)計(jì)周期。與TOPSwitch—FX相比，TOPSwitch—GX系列產(chǎn)品有如下優(yōu)點(diǎn)：

◇ 輸出功率可擴(kuò)展到290 W；

◇ 新增加了線路檢測(cè)端(L)和從外部設(shè)定極限電流端(X)這兩個(gè)引腳，用于代替TOP-Switch—FX的多功能端(M)的全部控制功能，使用更加靈活、方便；

◇ 具有更高的占空比，輸出功率更大、輸入電容更小;

◇ 有分開(kāi)的線路檢測(cè)端與電流限制端；

◇ 線路前饋縮小了最大占空比，以抑制脈動(dòng)紋波，并在電網(wǎng)電壓較高時(shí)起限制作用；

◇ 工作頻率提高到132 kHz，減少了變壓器和電源的尺寸；

◇ 當(dāng)開(kāi)關(guān)電源的負(fù)載很輕時(shí)，能自動(dòng)將開(kāi)關(guān)頻率從132 kHz降低到30 kHz(半頻模式下則由66 kHz降至15 kHz)，這樣，可降低開(kāi)關(guān)損耗，進(jìn)一步提高電源效率；

◇ 采用先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)，功耗低，在110VAC時(shí)為80 mW，在230VAC時(shí)為160 mW。

2 基于TOPSwitch—GX的多路輸出設(shè)計(jì)

PI Expert電源設(shè)計(jì)軟件是PI公司開(kāi)發(fā)的簡(jiǎn)單易用、節(jié)省時(shí)間的創(chuàng)新設(shè)計(jì)工具。它是一種交互式軟件，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。PI Ex-pert提供一種直觀的、一步一步的設(shè)計(jì)界面，讓使用者分別設(shè)定變壓器、輸入電容參數(shù)和所用的PI芯片。完整的電路設(shè)計(jì)還包括輸出電容、鉗位二極管等參數(shù)選擇，電源發(fā)熱量、電路安全性分析也可以在軟件設(shè)計(jì)中加以考慮。利用PI公司的PI Expert軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，可以方便地設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源電路、選擇電路拓?fù)?、芯片系列、芯片封裝、工作頻率以及其他相關(guān)特性參數(shù)。該軟件根據(jù)用戶(hù)給定的輸入?yún)?shù)、輸出參數(shù)、優(yōu)化方式、器件系列等相關(guān)信息。通過(guò)計(jì)算可給出器件變量電源部分元件選擇、電源輸出參數(shù)、變壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)和次級(jí)參數(shù)等信息。

2．1 設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)步驟

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)輸入電壓AC195～265V，頻率50Hz。輸出電壓24V時(shí)，最大輸出電流2A；輸出電壓12 V時(shí)，最大輸出電流有3 A和1 A兩種；輸出電壓8V時(shí)，最大輸出電流2A。同時(shí)要求輸入與輸出隔離。并能實(shí)現(xiàn)輸入欠壓和過(guò)壓保護(hù)、可外部設(shè)定極限電流等功能。

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟如下：

(1)打開(kāi)PI Expert設(shè)計(jì)軟件，新建一個(gè)設(shè)計(jì)文件，從FILE／NEW進(jìn)入設(shè)計(jì)文件名的設(shè)置，輸入設(shè)計(jì)名“多路輸出電源模塊”，選擇區(qū)域后點(diǎn)擊OK進(jìn)入輸入輸出設(shè)置，操作后的界面如圖1。 

(2)在輸入窗口選擇芯片頻率和封裝，根據(jù)所需功率容量選擇頻率為T(mén)OPGX130 kHz。采用Y封裝方便安裝，有助于散熱。輸入根據(jù)實(shí)際選擇AC195～265，優(yōu)化方式為最低成本Cost，此時(shí)右側(cè)即出現(xiàn)了設(shè)計(jì)所需電路圖，如圖2所示。

(3)輸出設(shè)置。根據(jù)實(shí)際在輸出窗口添加輸出電24 V；最大輸出電流2 A；輸出電壓12 V，最大輸出電流3 A；輸出電壓12 V，最大輸出電流1 A；輸出電壓8 V，最大輸出電流2A。添加后的界面視圖如圖3所示。

(4)設(shè)計(jì)結(jié)果輸出。運(yùn)行菜單Navigate／AutoDesign后即可輸出設(shè)計(jì)結(jié)果。

2．2 高頻變壓器的選擇

變壓器設(shè)計(jì)也可以通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。本方案采用了PI Expert軟件。計(jì)算相當(dāng)簡(jiǎn)單，僅需輸入相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，軟件就會(huì)輸出所需的變壓器設(shè)計(jì)參數(shù)。初級(jí)線圈電感量Lp=382μH；初級(jí)匝數(shù)Np=32；初級(jí)線徑AWG20(O．813 mm)三股并繞；反饋繞組匝數(shù)NB=3．0；磁芯采用E135，選用鐵氧體磁性材料。制作相關(guān)參數(shù)；氣隙Lc=0．30 mm；初級(jí)漏感LL=2．9μH；次級(jí)24 V／2 A組匝數(shù)為6匝，AWG22(O．643 mm)3股并繞；次級(jí)12 V／3 A組匝數(shù)為3匝，AWG24(0．51 mm)4股并繞；次級(jí)12 V／1 A組匝數(shù)為3匝，AWG24(0．51 mm)；8 V／2 A組AWG22(0．643 mm)2股并繞。軟件給出的參數(shù)都是經(jīng)過(guò)一定優(yōu)化的。實(shí)際設(shè)計(jì)中可優(yōu)先選用推薦參數(shù)，實(shí)踐證明，這樣做是合理。

PI—Expert軟件推薦變壓器采用堆疊式的繞制方法。其優(yōu)點(diǎn)就是能加強(qiáng)磁耦合、改善輕載時(shí)的穩(wěn)壓性能、骨架上的引腳較少、并且制造成本較低。繞制過(guò)程中，初級(jí)繞組在最里層，有利于減少初級(jí)繞組的分布電容，降低初級(jí)繞組對(duì)相鄰元件的干擾；12V／3A繞組緊挨初級(jí)繞組，其次由里向外分別為反饋繞組、24 V／2 A、8V／2 A、12V／1A用于減少漏感：反饋繞組在主電源的外邊，反饋繞組與次級(jí)繞組耦合最強(qiáng)。對(duì)電壓的變化敏感，有利于提高穩(wěn)壓效果。各繞組層之間的絕緣使用聚脂薄膜隔離，保證了較好的絕緣強(qiáng)度。同時(shí)，為了降低磁輻射、減小溫升及便于安裝，在初級(jí)與次級(jí)線圈之間以及其外圈都用銅片隔離，且縫隙處用導(dǎo)熱膠灌注。在變壓器的設(shè)計(jì)和制作過(guò)程中，必須對(duì)磁芯與線圈的結(jié)構(gòu)、繞制方法、散熱、效率等周密考慮。

2．4 電路工作原理

輸入交流195～265 V電壓接入交流電源進(jìn)線端的LC，專(zhuān)門(mén)用于濾除電網(wǎng)線之間的串模干擾和共模干擾。交流電壓經(jīng)全橋整流后。再通過(guò)濾波電容變成較平滑的直流電壓：與變壓器原邊并聯(lián)的吸收電路采用鉗位電壓為200 V的P6KE200型瞬態(tài)電壓；VD選用BYV26C型超快恢復(fù)二極管，其反向耐壓為600 V，可構(gòu)成保護(hù)功能完善的VS、VD、R、C型鉗位及吸收電路，以便吸收漏感上較大的磁場(chǎng)能量，從而保護(hù)MOSFET不受損壞。由高頻變壓器T1和TOP246Y組成的單端反激電路，可將能量傳輸?shù)蕉蝹?cè)；輸出整流二極管采用共陰極肖特基對(duì)管．輸出濾波電路由L和C并聯(lián)構(gòu)成；線性光耦合器PC817和可調(diào)式三端精密穩(wěn)壓器TLA31組成精密光耦反饋電路；輸出電壓Uo通過(guò)電阻分壓器獲得取樣電壓，并與TLA31中的2．5 V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較后產(chǎn)生誤差電壓，再經(jīng)過(guò)光耦隔離放大，可改變TOP246Y的控制端電流Ic，使占空比發(fā)生變化，進(jìn)而調(diào)節(jié)Uo保持不變；反饋繞組的輸出電壓經(jīng)VD、C整流濾波后，給光耦的接收端提供偏壓。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于：正常工作時(shí)VS的損耗非常小，泄漏磁場(chǎng)能量主要由R分擔(dān)；抑制器件的關(guān)鍵作用是限制在起動(dòng)(或過(guò)載)情況下的尖峰電壓，確保MOSFET的漏極電壓低于700 V。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

輸入電壓為AC230V時(shí)，測(cè)得如表1所列的結(jié)果，電源效率高達(dá)90％，負(fù)載調(diào)整率為