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1 引言 開(kāi)關(guān)電源被稱(chēng)為高效節能型電源，因為內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80%左右。而通常開(kāi)關(guān)電源的設計使用控制電路與功率MOSFET相分立的拓撲結構，但這種方案開(kāi)發(fā)周期長(cháng)，成本高，系統可靠性差。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、最佳性能指標等優(yōu)點(diǎn)，從而提高了電源的效率，降低了成本，增強了系統的可靠性，因此被廣泛地應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、過(guò)熱保護、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、過(guò)熱滯后關(guān)斷等功能。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，使電源設計應用更加靈活、方便。 TOPSwitch_GX屬于漏極開(kāi)路輸出并且利用電流來(lái)線(xiàn)性調節占空比的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，能連續調節脈沖占空比，實(shí)現脈寬調制（PWM），它內部的脈寬調制器是一個(gè)電流反饋式的控制電路，利用反饋電流IC來(lái)調節占空比D,達到穩壓目的。當輸出電壓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，脈寬調制（PWM）采用開(kāi)關(guān)頻率固定而占空比可調的調試方式。 3 電路設計 以TOPSwitch_GX中的TOP245Y為例介紹此類(lèi)控制芯片的應用。圖1是使用TOP245Y設計出的三路輸出＋15V/0.5A、－15V/0.5A、＋5V/2A，總輸出功率25W。由于TOPSwitch集成度高，設計工作主要針對外圍電路進(jìn)行，外圍電路可分為輸入整流濾波電路、鉗位保護電路、變壓器、輸出整流濾波電路及反饋電路5部分。設供電條件為85V"220VAC(15%)，工頻，若不加說(shuō)明，以下設計均以此條件為前提，根據各路輸出功率之和，選擇TOPSwitch芯片，可得到該型號芯片的各項參數。 圖1 設計的電路原理圖 3.1 輸入整流濾波電路設計 輸入整流濾波電路包括輸入交流濾波、整流、電容穩壓三部分。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)。一般對于寬范圍輸入的開(kāi)關(guān)電源，C2的容量可按比例系數來(lái)選��；固定輸入時(shí)，比例系數變成。此外，輸入濾波電容的容量大小還決定著(zhù)直流高壓的數值。 3.2 鉗位保護電路設計 每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內，TOPSwitch的關(guān)斷將導致變壓器漏感產(chǎn)生尖峰電壓。鉗位保護電路由VS和VD構成。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)驗公式V=1.5VOR得出；VD的耐壓值應大于整流后的最大電壓值。 3.3 高頻變壓器設計 在單端反激式開(kāi)關(guān)電源中，高頻變壓器既是儲能元件又是傳遞能量的主體，設計的主要參數包括初級電感量LP，變壓器變比 N，初、次級繞組匝數NP、NS和反饋繞組匝數 NF 以及各繞組導線(xiàn)線(xiàn)徑等。 PI公司設計開(kāi)發(fā)的開(kāi)關(guān)電源設計軟件是一種交互式軟件，可以針對相關(guān)的硬件芯片、按照使用者提出的電源規范產(chǎn)生具體能量轉換方案。其中包括三個(gè)設計軟件分別是：PI Expert、PI Transformers Designer、PIXLs Designer。根據輸入的電壓、輸出功率及芯片型號，PI Expert軟件可完成電路設計的基本結構。PI Transformers Designer軟件是用來(lái)設計變壓器的繞線(xiàn)結構、各繞組匝數及線(xiàn)徑等有關(guān)變壓器的各參數，只需把用PI Expert軟件設計保存的文件在PI Transformers Designer中打開(kāi)即可。另外，也可以用PIXLs Designer軟件來(lái)設計成電子表格形式的，用此軟件必需要首先選定TOPSwitch型號和變壓器磁心型號，利用此軟件可以比較清楚地知道電路設計過(guò)程中的一些性能參數及變壓器設計的一些中間變量值。但是，在利用這類(lèi)軟件設計高頻變壓器之前，必須對變壓器的設計過(guò)程及有關(guān)的一些名詞要有所了解，這樣才能設計出高效率高性能的變壓器。 3.4 輸出整流濾波電路設計 輸出整流濾波電路由整流二極管和濾波電容構成，輸出整流二極管的開(kāi)關(guān)損耗占系統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、超高速半導體器件，由于其反向恢復時(shí)間極短（可以小到幾納秒），正向導通壓降僅0.4V左右，而整流電流可達到幾千安培。這些優(yōu)良特性是快恢復二極管所無(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 反饋電路設計 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；帶穩壓管的光耦反饋電路和帶TL431的光耦反饋電路。反饋回路的形式依據輸出電壓精度而決定，本方案使用的“光耦＋TL431”。電壓反饋信號經(jīng)分壓網(wǎng)絡(luò )引入TL431的參考端，轉化為電流反饋信號，然后經(jīng)過(guò)光耦隔離后輸入TOPSwitch的控制端。 TL431稱(chēng)為可調式精密并聯(lián)穩壓器，利用兩只外部電阻可設定2.50"36V范圍內的任何基準電壓值。其工作原理是當輸出電壓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)生相應變化，再通過(guò)光耦去改變控制端電流IC的大小，調節TOPSwitch的輸出占空比，使UO不變，從而達到穩壓目的。根據TL431的工作原理，兩個(gè)分壓電阻的選取要求比較嚴格，因此可把上面的一個(gè)分壓電阻設計成一個(gè)固定阻值電阻和一個(gè)可調電阻的串聯(lián)，用來(lái)調節輸出電壓的精度。 在設計光耦反饋式開(kāi)關(guān)電源時(shí)，光耦的選取可根據以下原則：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。因為普通光耦的CTR-IF特性呈非線(xiàn)性，在IF較小時(shí)的非線(xiàn)性失真尤為嚴重，不適合傳輸模擬信號。還有，在設計反饋回路時(shí)，反饋信號要經(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 測試結果分析 根據以上設計原則，使用TOP245Y芯片設計出了＋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 結論 本文采用TOP245Y設計出了一種三路輸出單端反激式開(kāi)關(guān)電源并給出了設計方法。論文針對開(kāi)關(guān)電源設計的5部分電路分別進(jìn)行了分析和工程設計，提出了改進(jìn)電路設計和性能的方法。另外，在畫(huà)PCB圖時(shí)需注意：TOPSwitch開(kāi)關(guān)的源腳引線(xiàn)應非常短，旁路電容應盡可能靠近源腳和控制腳，同時(shí)源腳應單點(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，應在輸出端加一個(gè)假負載電阻。這些有助于提高開(kāi)關(guān)電源的性能和效率。 |
