基于TOPSwitch及PI Expert的單端反激式開關電源設計

　　3.2 反激變壓器設計

　　變壓器是開關電源的核心部件，其設計的好壞直接影響開關電源的性能。由于在反激式開關電源中，反激變壓器除了實現原副邊隔離和電壓轉換外，還承擔儲能的作用，所以在常規的變壓器設計方法基礎之上，反激變壓器的設計還要特別關注原邊電感量這個重要參數，其直接影響變壓器儲能的大小。

　　手工設計反激變壓器非常復雜。需要計算原邊電感量，根據功率初步選定一個磁芯和骨架，計算原副邊匝數，計算線徑，計算氣隙長度，最后核算窗口面積和最大磁通密度，如超過限定值。則需重新設計。經過反復的計算及修改，直到滿足要求為止。

　　應用PI Expert軟件只需經過幾步簡單的操作，就能得到設計結果，包括所推薦的變壓器磁芯型號、原副邊匝數、導線線徑、原邊電感量和T0P-Switch芯片型號等關鍵參數。最終設計參數如下：

　　TOPSwitch芯片型號 TOP243Y；
　　磁芯型號 EI22；
　　原邊電感 600μH；
　　原邊匝數 原邊56匝；
　　副邊匝數 3匝(5V)，8匝(15V)；
　　反饋繞組匝數 4匝；
　　線徑 35AWG(原邊)，31-35AWG(15V)，2l-25AWG（5V）。
　　另外，在此基礎上還可以用PI公司提供的PI Transformer Designer軟件對變壓器參數進行優化。

　　4 試驗結果及分析

　　根據以上設計，實際構建了一個基于TOP243Y的單端反激式多路輸出開關電源硬件電路進行試驗。

　　4.1 自動重啟試驗

　　為了掌握TOPSwitch芯片的工作特性，在搭建好試驗電路后，斷開芯片控制端的反饋電路，僅在漏源之間加一個30V左右的低電壓對其進行自動重啟試驗。圖3為自動重啟過程波形圖。通道l為漏極電壓波形，通道2為控制端電壓波形。從圖3中可以看出，控制端電壓VC保持在4.8～5.8V之間，這是由芯片內部的高壓電流源不斷對控制端電容進行充放電形成的。每經過8個這樣的充放電周期，芯片將重啟一次，這樣極大地減少了芯片的功耗。另外，一些電路故障(如輸出短路)也會導致TOPSwitch芯片進入自動重啟過程。

　　4.2 負載試驗

　　在AC l00V輸入情況下，給所有輸出帶上額定負載。通過長時間考核實驗后，各路電源輸出穩定、輸出電壓值滿足設計要求。其中兩路的輸出電壓波形如圖4所示。

　　輕載時電源工作在斷續模式，斷續模式時輸出電壓對負載變化比較敏感；滿載時電源工作在連續模式，連續模式時負載波動對輸出電壓的影響較小。斷續和連續時TOPSwitch管漏源電壓波形如圖5所示。

　　另外，還選擇了其中的5V/lA和15V/100mA兩路進行了 200％過載試驗。過載這兩路輸出電壓比設計值下降約lV，輸出電壓紋波明顯增大，TOP管發熱量增加，變壓器發熱量增加且有微響，輸出濾波電容發燙；額定負載的幾路輸出電壓也下降了約O.5V，其它正常。半小時后，TOPSwitch管過熱保護。

　　4.3 過欠壓保護試驗

　　過欠壓檢測電阻取值為2MΩ，當輸入交流整流后的直流電壓低于100V時欠壓保護動作，高于450V時過壓保護動作。無論是過壓還是欠壓，都將導致TOPSwitch管停止工作，直到過欠壓情況消失，系統才能恢復正常工作。

　　4.4 單點故障試驗

　　為了保證電路的可靠性，對電路中的不同器件和不同關鍵節點進行了開路、短路試驗。針對一路輸出的單點測試方案包括以下幾項試驗：a漏極、控制端開路試驗；b控制端外接電容短路、開路試驗；c原邊繞組短路、開路試驗；d副邊繞組或輸出整流二極管短路、開路試驗；e輸出濾波電容短路、開路試驗。

　　試驗結果如表1所列。其中a至e代表上面提及的試驗項目，b（短）表示b項目控制端外接電容短路，b（開）表示b項目控制端外接電容開路，其他依此類推。

　　5 結語

　　試驗證明本文所設計的單端反激式多路輸出開關電源具有良好的工作性能。該電路所用器件少，結構精簡，控制方式簡單，具有過欠壓等保護功能，大大提高了系統的可靠性和電磁兼容能力。采用TOPSwitch系列芯片結合PI Expert軟件進行開關電源設計，周期短，成本低，效率高。