采用TOPSwitch的單端正激式電源的電路分析與設計

摘要：介紹了一種用TOPSwitch器件設計的新穎單端正激式電源電路。詳細分析了其電路設計方法，給出了主要參數的計算及實驗波形。

關鍵詞：三端離線PWM開關；正激變換器；高頻變壓器設計

0 引言

TOPSwitch是美國功率集成公司（PI）于20世紀90年代中期推出的新型高頻開關電源芯片，是三端離線PWM開關（Three-terminal off line PWM Switch）的縮寫。它將開關電源中最重要的兩個部分——PWM控制集成電路和功率開關管MOSFET集成在一塊芯片上，構成PWM/MOSFET合二為一集成芯片，使外部電路簡化，其工作頻率高達100kHz，交流輸入電壓85～265V，AC/DC轉換效率高達90％。對200W以下的開關電源，采用TOPSwitch作為主功率器件與其他電路相比，體積小、重量輕，自我保護功能齊全，從而降低了開關電源設計的復雜性，是一種簡捷的SMPS（Switch Mode Power Supply）設計方案。

TOPSwitch系列可在降壓型，升壓型，正激式和反激式等變換電路中使用。但是，在現有的參考文獻以及PI公司提供的設計手冊中，所介紹的都是用TOPSwitch制作單端反激式開關電源的設計方法。反激式變換器一般有兩種工作方式：完全能量轉換（電感電流不連續）和不完全能量轉換（電感電流連續）。這兩種工作方式的小信號傳遞函數是截然不同的，動態分析時要做不同的處理。實際上當變換器輸入電壓在一個較大范圍發生變化，和（或者）負載電流在較大范圍內變化時，必然跨越兩種工作方式，因此，常要求反激式變換器在完全能量和不完全能量轉換方式下都能穩定工作。但是，要求同一個電路能實現從一種工作方式轉變為另一種工作方式，在設計上是較為困難的。而且，作為單片開關電源的核心部件高頻變壓器的設計，由于反激式變換器中的變壓器兼有儲能、限流、隔離的作用，在設計上要比正激式變換器中的高頻變壓器困難，對于初學者來說很難掌握。筆者采用TOP225Y設計了一種單端正激式開關電源電路，實驗證明該電路是切實可行的。下面介紹其工作原理與設計方法，以供探討。

1 TOPSwitch系列應用于單端正激變換器中存在的問題

TOPSwitch的交流輸入電壓范圍為85～265V，最大電壓應力≤700V，這個耐壓值對于輸入最大直流電壓V_max=265×1.4=371V是足夠的,但應用在一般的單端正激變換器中卻存在問題。

圖1是典型的單端正激變換器電路，設計時通常取N_S=N_P，D_max0.5（一般取0.4）,按正激變換器工作過程,TOPSwitch關斷期間，變壓器初級的勵磁能量通過N_S，D₁，E續流（泄放）。此時，TOPSwitch承受的最大電壓為

V_DSmax≥2E=2V_max=742V（1）

圖1 單端正激式變換器電源電路

大于TOPSwitch所能承受的最大電壓應力700V，所以，TOPSwitch不能在一般通用的正激變換器中使用。

2 TOPSwitch在單端正激變換器中的應用

由式（1）可知，TOPSwitch不能在典型單端正激變換器中應用的關鍵問題，是其在關斷期間所承受的電壓應力超過了允許值，如果能降低關斷期間的電壓應力，使它小于700V，則TOPSwitch仍可在單端正激變換器中應用。

2.1 電路結構及工作原理

本文提出的TOPSwitch的單端正激變換器拓撲結構如圖1所示。它與典型的單端正激變換器電路結構完全相同,只是變壓器的去磁繞組的匝數為初級繞組匝數的2倍,即N_S=2N_P。

TOPSwitch關斷時的等效電路如圖2所示。

（a）等效電路（b）去磁電流波形

圖2 TOPSwitch器件關斷時的等效電路及去磁電流的波形

若NS與NP是緊耦合，則，即

V_NP=V_NS=E（2）

V_DSmax=V_NP＋E=E=1.5×371=556.5V700V（3）

2.2 最大工作占空比分析

按NP繞組每個開關周期正負V·s平衡原理，有

V_NPon=V_NPoff（4）

式中：V_NPon為TOPSwitch開通時變壓器初級電壓，V_NPon=E；

V_NPoff為TOPSwitch關斷時變壓器初級電壓，V_NPoff=（1/2）E。

解式（4）得

D_max=1/3（5）

為保險，取D_max=30％

2.3 去磁繞組電流分析

改變了去磁繞組與初級繞組的匝比后，變壓器初級繞組仍應該滿足A·s平衡，初級繞組最大勵磁電流為

i_m(t)=I_sm=D_maxT（6）

式中：L_m為初級繞組勵磁電感。