基于TOPSwitch及PI Expert的單端反激式開關電源設計

　　0 引言

　　開關電源以其小型、輕量和高效率的特點，被廣泛地應用于各種電氣設備和系統(tǒng)中，其性能的優(yōu)劣直接關系到整個系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。開關穩(wěn)壓電源有多種類型，其中單端反激式開關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)點而廣泛應用于小功率電源領域。

　　傳統(tǒng)的單端反激電源一般由PWM控制芯片(如UC3842)和功率開關管(頻率較高時一般使用MOSFET)組成，PWM芯片控制環(huán)路設計復雜，容易造成系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，功率開關管有時需要外加驅動電路。另外，反激變壓器的設計也是一個難點，其往往導致電源設計周期延長。隨著PI公司生產的以TOPSwitch為代表的新一代單片開關電源的問世，以上諸多問題都得到了很好的解決。應用TOPSwitch設計開關電源，不僅器件更少，結構更簡單，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關電源設計方案。本文以一個具體的設計實例，洋細闡述了如何應用TOPSwitch及PI Expert進行開關電源沒計，并通過試驗進行了驗證。

　　1 單端反激電源基本工作原理

　　單端反激式開關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、原副邊隔離和電壓轉換三種作用。

　　TOPSwitch開通時副邊整流二極管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，整流二極管開始導通,存儲在變壓器中的能量輸送給負載，同時補充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關電源分為斷續(xù)和連續(xù)兩種工作模式。不同工作模式對整個電源的效率以及相關參數(shù)的選擇都有一定影響。

　　2 TOPSwithch及PI Expert簡介

　　TOPSwitch系列單片開關電源是美國Power Integrations(PI)公司開發(fā)的新型開關電源芯片，其將離線式開關電源所必需的各種功能模塊都集成到一塊芯片上，包括高壓功率場效應管MOSFET、PWM控制器、高頻振蕩器、高壓啟動偏置電路、基準電壓、誤差放大器、用于環(huán)路補償?shù)牟⒙?lián)偏置調整器以及各種保護電路等。

　　TOPSwitch主要引腳有三個，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(L)、電流限制(X)以及頻率選擇(F)。

　　使用時需在C和S之間接一個47μF旁路電容，利用該電容的充電過程來實現(xiàn)電路的軟啟動。CONTROL引腳為誤差放大器和反饋輸入腳，實現(xiàn)占空比調節(jié)控制。

　　PI Expert是Pl公司專門針對TOPSwitch開發(fā)的一種交互式電源設計軟件平臺。其特點是簡單易用、靈活方便，是一種高效的開關電源沒計工具。

　　3 設計實列

　　本文設計一種單端反激式多路輸出開關電源，用作電氣傳動系統(tǒng)中的控制及驅動電源。其輸入電壓為交流85～265V，并要求整個電路結構簡單、工作可靠，具有過欠壓保護功能。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(wěn)壓精度±5％，用作驅動的各路輸出功率較小，穩(wěn)壓精度±10%。

　　3.1 電路結構選擇

　　單端反激式開關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，利用繞組進行反饋；

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

　　(3)Opto/Zener型，利用光耦和齊納二極管進行反饋；

　　(4)Opto/TL43l型，利用光耦和精密基準源TL43I進行反饋。

　　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型結構最簡單，只需要一個電阻，利用各繞組之間的磁耦合關系，直接采用繞組進行反饋(圖1所示)。本設計采用這種結構，并對要求有較高穩(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，同時也省去了反饋光耦和精密基準源TL43l，電路結構簡單，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組成關斷過壓吸收電路，R1為過欠壓檢測電阻，R2為過流檢測電阻，NF為反饋繞組，RF為反饋電阻。