利用計算機設計單片開(kāi)關(guān)電源

1設計概述

自從20世紀90年代以來(lái)，各種單片開(kāi)關(guān)電源集成電路競相問(wèn)世，現已形成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?xún)r(jià)比、最簡(jiǎn)外圍電路、最佳性能指標等顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)，現已成為國際上開(kāi)發(fā)250W以下中、小功率開(kāi)關(guān)電源、精密開(kāi)關(guān)電源及電源模塊的優(yōu)選集成電路。

單片開(kāi)關(guān)電源不僅在整機電路設計、高頻變壓器設計、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(lái)完成整個(gè)開(kāi)關(guān)電源的設計工作，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(kāi)發(fā)的PIExpert軟件正是采用了這項技術(shù)。但是，該軟件沒(méi)有作為商品對外出售，所贈送的光盤(pán)也對軟件的安裝使用次數以及運行時(shí)間進(jìn)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，突出表現在每種系列產(chǎn)品各對應于一套專(zhuān)門(mén)的軟件，并且只能對現有產(chǎn)品進(jìn)行設計。因此，也給用戶(hù)使用帶來(lái)一些不便之處。

為解決上述問(wèn)題，促使這項新技術(shù)能夠在國內迅速推廣應用，我們在參考PIExpert的基礎上，利用 VisualBasic(以下簡(jiǎn)稱(chēng)VB)語(yǔ)言獨立開(kāi)發(fā)出通用性很強的KDPExpert專(zhuān)家系統，為開(kāi)關(guān)電源設計人員提供了一套功能強大而又簡(jiǎn)便實(shí)用的設計軟件。該軟件不僅適用于TOPSwitch、TOPSwitch?并頡?TOPSwitch?FX和TOPSwitch?GX系列，還為將來(lái)問(wèn)世的新產(chǎn)品預留出足夠的接口。本講座詳細闡述利用計算機設計單片開(kāi)關(guān)電源的新技術(shù)以及KDPExpert軟件的設計思想，設計方法、界面風(fēng)格和使用指南。為了敘述方便，下面統一用TOPSwitch來(lái)表示TOPSwitch、TOPSwitch?并頡?TOPSwitch?FX和TOPSwitch?GX系列。

2單片開(kāi)關(guān)電源的兩種工作模式

單片開(kāi)關(guān)電源有兩種基本工作模式：一種是連續模式CUM(ContinuousMode)，另一種是不連續模式

圖1兩種模式的開(kāi)關(guān)電流波形

(a)連續模式(b)不連續模式

DUM(DiscontinuousMode)。這兩種模式的開(kāi)關(guān)電流波形分別如圖1(a)及圖1(b)所示。由圖可見(jiàn)，在連續模式下，初級開(kāi)關(guān)電流是從一定幅度開(kāi)始的，然后上升到峰值，再迅速回零。其開(kāi)關(guān)電流波形呈梯形。這表明在連續模式下，由于儲存在高頻變壓器的能量在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內并未全部釋放掉，因此下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期具有一個(gè)初始能量。采用連續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。但連續模式要求增大初級電感量LP，這會(huì )導致高頻變壓器的體積增大。綜上所述，連續模式適用于功率較小的TOPSwitch和尺寸較大的高頻變壓器。

不連續模式的開(kāi)關(guān)電流是從零開(kāi)始上升到峰值，再降至零的。這就意味著(zhù)儲存在高頻變壓器中的能量必須在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內完全釋放掉，其開(kāi)關(guān)電流波形呈三角形。不連續模式下的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(kāi)關(guān)電源反饋電路的四種基本類(lèi)型

單片開(kāi)關(guān)電源的電路可以千變萬(wàn)化，但其反饋電路只有四種基本類(lèi)型：

(1)基本反饋電路;

(2)改進(jìn)型基本反饋電路;

(3)配穩壓管的光耦反饋電路;

(4)配TL431的光耦反饋電路。

它們的簡(jiǎn)化電路如圖2所示。

圖2(a)為基本反饋電路，其優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，成本低廉，適于制作小型化、經(jīng)濟性開(kāi)關(guān)電源;其缺點(diǎn)是穩壓性能較差，電壓調整率SV=±1.5%～±2.5%，負載調整率SI≈±5%。

圖2反饋電路的四種基本類(lèi)型

(a)基本反饋電路(b)改進(jìn)型基本反饋電路(c)配穩壓管的光耦反饋電路(d)配TL431的光耦反饋電路

當f=130kHz時(shí)，Δf=±4kHz;當f=65kHz時(shí)，Δf=±2kHz。

表1單片開(kāi)關(guān)電源典型產(chǎn)品的技術(shù)指標

圖2(b)為改進(jìn)型基本反饋電路，只需增加一只穩壓管VDZ和電阻R1，即可使負載調整率達到±2%。VDZ的穩定電壓一般為22V，必須相應增加反饋繞組的匝數，以獲得較高的反饋電壓UFB，滿(mǎn)足電路的需要。

圖2(c)是配穩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(dòng)時(shí)，在光耦內部的 LED上可獲得誤差電壓。因此，該電路相當于給TOPSwitch增加一個(gè)外部誤差放大器，再與內部誤差放大器配合使用，即可對UO進(jìn)行調整。這種反饋電路能使電壓調整率達到±1%以下。