TOPSwitch_GX系列單端反激式開關(guān)電源設(shè)計

　　1 引言

　　開關(guān)電源被稱為高效節(jié)能型電源，因為內(nèi)部電路工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，自身消耗的能量很低，電源效率可達80%左右。而通常開關(guān)電源的設(shè)計使用控制電路與功率MOSFET相分立的拓撲結(jié)構(gòu)，但這種方案開發(fā)周期長，成本高，系統(tǒng)可靠性差。TOPSwitch系列智能開關(guān)電源集成芯片具有高集成度、高性價比、最簡外圍電路、最佳性能指標等優(yōu)點，從而提高了電源的效率，降低了成本，增強了系統(tǒng)的可靠性，因此被廣泛地應(yīng)用在中小功率電源中。

　　2 TOPSwitch_GX器件介紹

　　TOPSwitch_GX系列是單片開關(guān)電源第四代產(chǎn)品，他將高壓功率MOSFET、PWM控制、過電流保護、過熱保護、關(guān)斷/自動重啟動電路和其他電路高性價比地集成在單片CMOS上，還具有從芯片外部設(shè)定電流極限值、軟啟動、頻率抖動、過電壓關(guān)斷、欠電壓保護、過熱滯后關(guān)斷等功能[1]。通過高頻變壓器使輸出端與電網(wǎng)完全隔離，真正實現(xiàn)了無工頻變壓器、隔離式開關(guān)電源的單片集成化，使電源設(shè)計應(yīng)用更加靈活、方便。

　　TOPSwitch_GX屬于漏極開路輸出并且利用電流來線性調(diào)節(jié)占空比的AC/DC電源變換器，即電流控制型開關(guān)電源。通過改變控制端電流IC的大小，能連續(xù)調(diào)節(jié)脈沖占空比，實現(xiàn)脈寬調(diào)制（PWM），它內(nèi)部的脈寬調(diào)制器是一個電流反饋式的控制電路，利用反饋電流IC來調(diào)節(jié)占空比D,達到穩(wěn)壓目的。當輸出電壓UO降低時，經(jīng)過光耦反饋電路使得IC減小，占空比增大，輸出電壓隨之升高，最終使UO維持不變。其中，脈寬調(diào)制（PWM）采用開關(guān)頻率固定而占空比可調(diào)的調(diào)試方式。

　　3 電路設(shè)計

　　以TOPSwitch_GX中的TOP245Y為例介紹此類控制芯片的應(yīng)用。圖1是使用TOP245Y設(shè)計出的三路輸出＋15V/0.5A、－15V/0.5A、＋5V/2A，總輸出功率25W。由于TOPSwitch集成度高，設(shè)計工作主要針對外圍電路進行，外圍電路可分為輸入整流濾波電路、鉗位保護電路、變壓器、輸出整流濾波電路及反饋電路5部分[3]。設(shè)供電條件為85V~220VAC(15%)，工頻，若不加說明，以下設(shè)計均以此條件為前提，根據(jù)各路輸出功率之和，選擇TOPSwitch芯片，可得到該型號芯片的各項參數(shù)。

圖1 設(shè)計的電路原理圖

　　3.1 輸入整流濾波電路設(shè)計

　　輸入整流濾波電路包括輸入交流濾波、整流、電容穩(wěn)壓三部分。交流濾波主要是濾除交流輸入端的共模干擾和差模干擾，其中C1為安規(guī)電容，是為了去除差模干擾；L1為共模電感，采取雙線并繞，是為了去除共模干擾。整流電路一般選用滿足電流閾值的整流橋。輸入濾波電容C2的容量與電源效率、輸出功率密切相關(guān)。一般對于寬范圍輸入的開關(guān)電源，C2的容量可按比例系數(shù)來選取；固定輸入時，比例系數(shù)變成。此外，輸入濾波電容的容量大小還決定著直流高壓的數(shù)值。

　　3.2 鉗位保護電路設(shè)計

　　每個開關(guān)周期內(nèi)，TOPSwitch的關(guān)斷將導(dǎo)致變壓器漏感產(chǎn)生尖峰電壓。鉗位保護電路由VS和VD構(gòu)成。其中，VS為瞬態(tài)電壓抑制器，它是一種新型的過電壓保護器件，在承受瞬態(tài)高能量電壓時，能迅速反向擊穿，由高阻態(tài)變成低阻態(tài)，并把干擾脈沖鉗位于規(guī)定值，從而保證電子元器件不受損壞。VD稱為阻塞二極管，一般選用快恢復(fù)二極管。VS和VD的選擇由反射電壓VOR決定，VOR推薦值為135V。VS的鉗位電壓V 由經(jīng)驗公式V=1.5VOR得出；VD的耐壓值應(yīng)大于整流后的最大電壓值。

　　3.3 高頻變壓器設(shè)計

　　在單端反激式開關(guān)電源中，高頻變壓器既是儲能元件又是傳遞能量的主體，設(shè)計的主要參數(shù)包括初級電感量LP，變壓器變比 N，初、次級繞組匝數(shù)NP、NS和反饋繞組匝數(shù) NF 以及各繞組導(dǎo)線線徑等。

　　PI公司設(shè)計開發(fā)的開關(guān)電源設(shè)計軟件是一種交互式軟件，可以針對相關(guān)的硬件芯片、按照使用者提出的電源規(guī)范產(chǎn)生具體能量轉(zhuǎn)換方案。其中包括三個設(shè)計軟件分別是：PI Expert、PI Transformers Designer、PIXLs Designer[4]。根據(jù)輸入的電壓、輸出功率及芯片型號，PI Expert軟件可完成電路設(shè)計的基本結(jié)構(gòu)。PI Transformers Designer軟件是用來設(shè)計變壓器的繞線結(jié)構(gòu)、各繞組匝數(shù)及線徑等有關(guān)變壓器的各參數(shù)，只需把用PI Expert軟件設(shè)計保存的文件在PI Transformers Designer中打開即可。另外，也可以用PIXLs Designer軟件來設(shè)計成電子表格形式的，用此軟件必需要首先選定TOPSwitch型號和變壓器磁心型號，利用此軟件可以比較清楚地知道電路設(shè)計過程中的一些性能參數(shù)及變壓器設(shè)計的一些中間變量值。但是，在利用這類軟件設(shè)計高頻變壓器之前，必須對變壓器的設(shè)計過程及有關(guān)的一些名詞要有所了解，這樣才能設(shè)計出高效率高性能的變壓器。

　　3.4 輸出整流濾波電路設(shè)計

　　輸出整流濾波電路由整流二極管和濾波電容構(gòu)成，輸出整流二極管的開關(guān)損耗占系統(tǒng)損耗的六分之一到五分之一，是影響開關(guān)電源效率的主要因素。肖特基二極管是近年來間世的低功耗、大電流、超高速半導(dǎo)體器件，由于其反向恢復(fù)時間極短（可以小到幾納秒），正向?qū)▔航祪H0.4V左右，而整流電流可達到幾千安培。這些優(yōu)良特性是快恢復(fù)二極管所無法比擬的。因此適合作為開關(guān)電源中的低壓整流管。

　　3.5 反饋電路設(shè)計

　　開關(guān)電源的反饋回路有4種基本形式：基本反饋電路；改進型反饋電路；帶穩(wěn)壓管的光耦反饋電路和帶TL431的光耦反饋電路[2]。反饋回路的形式依據(jù)輸出電壓精度而決定，本方案使用的“光耦＋TL431”。電壓反饋信號經(jīng)分壓網(wǎng)絡(luò)引入TL431的參考端，轉(zhuǎn)化為電流反饋信號，然后經(jīng)過光耦隔離后輸入TOPSwitch的控制端。

　　TL431稱為可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器，利用兩只外部電阻可設(shè)定2.50~36V范圍內(nèi)的任何基準電壓值。其工作原理是當輸出電壓UO發(fā)生波動時，經(jīng)電阻分壓后得到的取樣電壓就與TL431中的2.5V帶隙基準電壓進行比較，在陰極上形成誤差電壓，使發(fā)光二極管的工作電流IF產(chǎn)生相應(yīng)變化，再通過光耦去改變控制端電流IC的大小，調(diào)節(jié)TOPSwitch的輸出占空比，使UO不變，從而達到穩(wěn)壓目的。根據(jù)TL431的工作原理，兩個分壓電阻的選取要求比較嚴格，因此可把上面的一個分壓電阻設(shè)計成一個固定阻值電阻和一個可調(diào)電阻的串聯(lián)，用來調(diào)節(jié)輸出電壓的精度。

　　在設(shè)計光耦反饋式開關(guān)電源時，光耦的選取可根據(jù)以下原則：光耦的電流傳輸比（CTR）的允許范圍是50%~200%，并且要用線性光耦。因為普通光耦的CTR-IF特性呈非線性，在IF較小時的非線性失真尤為嚴重，不適合傳輸模擬信號。還有，在設(shè)計反饋回路時，反饋信號要經(jīng)過光耦隔離后輸入TOPSwitch的控制端，而控制端的電流IC和占空比D有關(guān)，所以光耦的反饋電流以及與其有關(guān)的電阻阻值的選取比較重要，直接決定電路反饋回路性能。

　　4 測試結(jié)果分析

　　根據(jù)以上設(shè)計原則，使用TOP245Y芯片設(shè)計出了＋5V/2A、+15V/0.5A、-15V/0.5A三路輸出開關(guān)電源，圖2～圖4給出了實測波形。由圖可見，滿載時，電源工作在最大占空比35%左右。輸出紋波由變壓器漏感導(dǎo)致的尖峰電壓及輸出整流二極管關(guān)斷時所產(chǎn)生，這些提高變壓器制造工藝以及優(yōu)化PCB布線等方法加以改善。

　　5 結(jié)論

　　本文采用TOP245Y設(shè)計出了一種三路輸出單端反激式開關(guān)電源并給出了設(shè)計方法。論文針對開關(guān)電源設(shè)計的5部分電路分別進行了分析和工程設(shè)計，提出了改進電路設(shè)計和性能的方法。另外，在畫PCB圖時需注意：TOPSwitch開關(guān)的源腳引線應(yīng)非常短，旁路電容應(yīng)盡可能靠近源腳和控制腳，同時源腳應(yīng)單點接地；開關(guān)電源在輕載或空載輸出時，為了抑制輸出電壓偏高，應(yīng)在輸出端加一個假負載電阻。這些有助于提高開關(guān)電源的性能和效率。