基于TOPSwitch及PI Expert的單端反激式開(kāi)關(guān)電源設計

　　0 引言

　　開(kāi)關(guān)電源以其小型、輕量和高效率的特點(diǎn)，被廣泛地應用于各種電氣設備和系統中，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)系統功能的實(shí)現。開(kāi)關(guān)穩壓電源有多種類(lèi)型，其中單端反激式開(kāi)關(guān)電源由于具有線(xiàn)路簡(jiǎn)單，所需要的元器件少，能夠提供多路隔離輸出等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應用于小功率電源領(lǐng)域。

　　傳統的單端反激電源一般由PWM控制芯片(如UC3842)和功率開(kāi)關(guān)管(頻率較高時(shí)一般使用MOSFET)組成，PWM芯片控制環(huán)路設計復雜，容易造成系統工作不穩定，功率開(kāi)關(guān)管有時(shí)需要外加驅動(dòng)電路。另外，反激變壓器的設計也是一個(gè)難點(diǎn)，其往往導致電源設計周期延長(cháng)。隨著(zhù)PI公司生產(chǎn)的以TOPSwitch為代表的新一代單片開(kāi)關(guān)電源的問(wèn)世，以上諸多問(wèn)題都得到了很好的解決。應用TOPSwitch設計開(kāi)關(guān)電源，不僅器件更少，結構更簡(jiǎn)單，發(fā)熱量更少，工作更可靠，而且與之配套的軟件設計平臺Pl Expert使得變壓器的設計也變得異常容易。兩者結合已成為一種高效的開(kāi)關(guān)電源設計方案。本文以一個(gè)具體的設計實(shí)例，洋細闡述了如何應用TOPSwitch及PI Expert進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源沒(méi)計，并通過(guò)試驗進(jìn)行了驗證。

　　1 單端反激電源基本工作原理

　　單端反激式開(kāi)關(guān)電源的基本本作原理比較簡(jiǎn)單。采用基本反饋電路的基于TOPSwitch的單端反激電路如圖l所示，其中變壓器T1具有能量存儲、原副邊隔離和電壓轉換三種作用。

　　TOPSwitch開(kāi)通時(shí)副邊整流二極管D2截止，此間輸出負載的能量由C1提供；TOPSwitch關(guān)斷后,變壓器磁心中的磁通減少,副邊繞組電壓極性反向，整流二極管開(kāi)始導通,存儲在變壓器中的能量輸送給負載，同時(shí)補充C1先前減少的能量。

　　根據變壓器原邊電流是否減小到零，可以將單端反激式開(kāi)關(guān)電源分為斷續和連續兩種工作模式。不同工作模式對整個(gè)電源的效率以及相關(guān)參數的選擇都有一定影響。

　　2 TOPSwithch及PI Expert簡(jiǎn)介

　　TOPSwitch系列單片開(kāi)關(guān)電源是美國Power Integrations(PI)公司開(kāi)發(fā)的新型開(kāi)關(guān)電源芯片，其將離線(xiàn)式開(kāi)關(guān)電源所必需的各種功能模塊都集成到一塊芯片上，包括高壓功率場(chǎng)效應管MOSFET、PWM控制器、高頻振蕩器、高壓?jiǎn)?dòng)偏置電路、基準電壓、誤差放大器、用于環(huán)路補償的并聯(lián)偏置調整器以及各種保護電路等。

　　TOPSwitch主要引腳有三個(gè)，分別為引腳DRAIN(D)、引腳SOURCE(S)和引腳CONTROL(C)，附加引腳包括過(guò)欠壓檢測(L)、電流限制(X)以及頻率選擇(F)。

　　使用時(shí)需在C和S之間接一個(gè)47μF旁路電容，利用該電容的充電過(guò)程來(lái)實(shí)現電路的軟啟動(dòng)。CONTROL引腳為誤差放大器和反饋輸入腳，實(shí)現占空比調節控制。

　　PI Expert是Pl公司專(zhuān)門(mén)針對TOPSwitch開(kāi)發(fā)的一種交互式電源設計軟件平臺。其特點(diǎn)是簡(jiǎn)單易用、靈活方便，是一種高效的開(kāi)關(guān)電源沒(méi)計工具。

　　3 設計實(shí)列

　　本文設計一種單端反激式多路輸出開(kāi)關(guān)電源，用作電氣傳動(dòng)系統中的控制及驅動(dòng)電源。其輸入電壓為交流85～265V，并要求整個(gè)電路結構簡(jiǎn)單、工作可靠，具有過(guò)欠壓保護功能。各路輸出之間相互電氣隔離，其中用作控制電源的一路要求輸出功率較大，穩壓精度±5％，用作驅動(dòng)的各路輸出功率較小，穩壓精度±10%。

　　3.1 電路結構選擇

　　單端反激式開(kāi)關(guān)電源的電路結構根據采用的反饋方式的不同可分為以下幾種：

　　(1)Primary/Basic型，利用繞組進(jìn)行反饋；

　　(2)Primary/Bnhanced型，利用繞組和一個(gè)齊納二極管進(jìn)行反饋；

　　(3)Opto/Zener型，利用光耦和齊納二極管進(jìn)行反饋；

　　(4)Opto/TL43l型，利用光耦和精密基準源TL43I進(jìn)行反饋。

　　以上幾種結構，性能依次增強，但成本和復雜程度也依次增加。

　　Primary/Basic型結構最簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)電阻，利用各繞組之間的磁耦合關(guān)系，直接采用繞組進(jìn)行反饋(圖1所示)。本設計采用這種結構，并對要求有較高穩壓精度的+5V控制電源一路加裝一片穩壓芯片(如7805)，這樣既保證了所要求的輸出有足夠的穩壓精度，同時(shí)也省去了反饋光耦和精密基準源TL43l，電路結構簡(jiǎn)單，工作可靠，從成本上考慮也是可取的。

　　系統電路圖如圖2所示。

　　圖2中，P6KE200和BYV26C組成關(guān)斷過(guò)壓吸收電路，R1為過(guò)欠壓檢測電阻，R2為過(guò)流檢測電阻，NF為反饋繞組，RF為反饋電阻。