基于TOPSwitch及PI Expert的單端反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)

　　0 引言

　　開關(guān)電源以其小型、輕量和高效率的特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于各種電氣設(shè)備和系統(tǒng)中，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。開關(guān)穩(wěn)壓電源有多種類型，其中單端反激式開關(guān)電源由于具有線路簡單，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(yīng)用于小功率電源領(lǐng)域。

　　傳統(tǒng)的單端反激電源一般由PWM控制芯片(如UC3842)和功率開關(guān)管(頻率較高時(shí)一般使用MOSFET)組成，PWM芯片控制環(huán)路設(shè)計(jì)復(fù)雜，容易造成系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，功率開關(guān)管有時(shí)需要外加驅(qū)動(dòng)電路。另外，反激變壓器的設(shè)計(jì)也是一個(gè)難點(diǎn)，其往往導(dǎo)致電源設(shè)計(jì)周期延長。隨著PI公司生產(chǎn)的以TOPSwitch為代表的新一代單片開關(guān)電源的問世，以上諸多問題都得到了很好的解決。應(yīng)用TOPSwitch設(shè)計(jì)開關(guān)電源，不僅器件更少，結(jié)構(gòu)更簡單，發(fā)熱量更少，工作更可靠，而且與之配套的軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)Pl Expert使得變壓器的設(shè)計(jì)也變得異常容易。兩者結(jié)合已成為一種高效的開關(guān)電源設(shè)計(jì)方案。本文以一個(gè)具體的設(shè)計(jì)實(shí)例，洋細(xì)闡述了如何應(yīng)用TOPSwitch及PI Expert進(jìn)行開關(guān)電源沒計(jì)，并通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

　　1 單端反激電源基本工作原理

　　單端反激式開關(guān)電源的基本本作原理比較簡單。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(chǔ)、原副邊隔離和電壓轉(zhuǎn)換三種作用。

　　TOPSwitch開通時(shí)副邊整流二極管D2截止，此間輸出負(fù)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，整流二極管開始導(dǎo)通,存儲(chǔ)在變壓器中的能量輸送給負(fù)載，同時(shí)補(bǔ)充C1先前減少的能量。

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

　　2 TOPSwithch及PI Expert簡介

　　TOPSwitch系列單片開關(guān)電源是美國Power Integrations(PI)公司開發(fā)的新型開關(guān)電源芯片，其將離線式開關(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(yīng)管MOSFET、PWM控制器、高頻振蕩器、高壓啟動(dòng)偏置電路、基準(zhǔn)電壓、誤差放大器、用于環(huán)路補(bǔ)償?shù)牟⒙?lián)偏置調(diào)整器以及各種保護(hù)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)，附加引腳包括過欠壓檢測(cè)(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程來實(shí)現(xiàn)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(xiàn)占空比調(diào)節(jié)控制。

　　PI Expert是Pl公司專門針對(duì)TOPSwitch開發(fā)的一種交互式電源設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)。其特點(diǎn)是簡單易用、靈活方便，是一種高效的開關(guān)電源沒計(jì)工具。

　　3 設(shè)計(jì)實(shí)列

　　本文設(shè)計(jì)一種單端反激式多路輸出開關(guān)電源，用作電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中的控制及驅(qū)動(dòng)電源。其輸入電壓為交流85～265V，并要求整個(gè)電路結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，具有過欠壓保護(hù)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(wěn)壓精度±5％，用作驅(qū)動(dòng)的各路輸出功率較小，穩(wěn)壓精度±10%。

　　3.1 電路結(jié)構(gòu)選擇

　　單端反激式開關(guān)電源的電路結(jié)構(gòu)根據(jù)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(zhǔn)源TL43I進(jìn)行反饋。

　　以上幾種結(jié)構(gòu)，性能依次增強(qiáng)，但成本和復(fù)雜程度也依次增加。

　　Primary/Basic型結(jié)構(gòu)最簡單，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(shè)計(jì)采用這種結(jié)構(gòu)，并對(duì)要求有較高穩(wěn)壓精度的+5V控制電源一路加裝一片穩(wěn)壓芯片(如7805)，這樣既保證了所要求的輸出有足夠的穩(wěn)壓精度，同時(shí)也省去了反饋光耦和精密基準(zhǔn)源TL43l，電路結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，從成本上考慮也是可取的。

　　系統(tǒng)電路圖如圖2所示。

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