談蓉蓉，黃震宇

（無錫廣播電視大學(xué)，江蘇 無錫 214000）

開關(guān)電源具有重量輕、體積小、效率高、穩(wěn)壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，在電子電氣、控制、計(jì)算機(jī)等許多領(lǐng)域的電子設(shè)備中得到了廣泛的使用。TOPSwitch單片開關(guān)電源是美國PI（Power Integration）公司于20世紀(jì)90年代中期推出的新型高頻開關(guān)電源芯片。采用TOPSwitch器件的開關(guān)電源與分立的MOSFET功率開關(guān)及PWM集成控制的開關(guān)電源相比，具有電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、性能穩(wěn)定、制作及調(diào)試方便，自保護(hù)完善等優(yōu)點(diǎn)，因此它被廣泛地應(yīng)用在中小功率電源中。

1 開關(guān)電源的設(shè)計(jì)過程

本文以TOP250Y為例介紹此類控制芯片的應(yīng)用。圖1是使用TOP250Y設(shè)計(jì)出的7路輸出，其中6路15 V／0.4 A、1路＋5 V／4 A，總輸出功率56 W。由于TOPSwitch集成度高，設(shè)計(jì)工作主要針對外圍電路進(jìn)行，外圍電路可分為輸入整流濾波電路、箝位保護(hù)電路、變壓器、輸出整流濾波電路及反饋電路5部分。設(shè)供電條件為85～265 VAC（±15%），工頻。

1.1 輸入整流濾波電路設(shè)計(jì)

圖1 開關(guān)電源原理圖

輸入整流濾波電路包括交流濾波、整流、電容穩(wěn)壓。前級濾波電容C1的作用是濾掉電網(wǎng)電壓尖峰，防止其對后級電路的影響。尖峰電壓一般是電網(wǎng)電壓的3～4倍，再考慮到安全裕量，選用耐壓1000 V、容值0.1μF的電容。濾波電感L1選用33 mH的，使能濾掉電網(wǎng)3次諧波。不控整流橋選用的是5 A／600 V規(guī)格。整流橋后濾波電容C2的作用是對脈動(dòng)直流電壓進(jìn)行平滑，使整流輸出的電壓波動(dòng)在一定的范圍內(nèi)。濾波電容的選擇可依照1μF／W的比例進(jìn)行選擇，所以后級濾波電容值為400μF。濾波電容的耐壓值一般取為整流輸出電壓峰值的1.3～2倍，故取為310 V×1.3＝403 V，實(shí)際考慮電容的標(biāo)稱值，取450 V。

1.2 箝位保護(hù)電路設(shè)計(jì)

TOPSwitch的關(guān)斷將導(dǎo)致變壓器漏感產(chǎn)生尖峰電壓，本設(shè)計(jì)中箝位保護(hù)電路由VD2和VD1構(gòu)成。其中VD2為瞬態(tài)電壓抑制器，在承受瞬態(tài)高能量電壓時(shí)，能迅速反向擊穿，由高阻態(tài)變成低阻態(tài)，并把干擾脈沖箝位于規(guī)定值，能將啟動(dòng)和過載情況下的峰值漏電壓限制在TOPSwitch的MOSFET額定值700 V以下，VD1為阻塞二極管，一般選用快恢復(fù)二極管。VD2型號為 P6KE－200，VD1型號為 UF4006。電容C3、電阻R2與VD2并聯(lián)以降低齊納箝位的損耗。

1.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)

高頻變壓器的設(shè)計(jì)過程是很繁瑣的，要考慮大量相互關(guān)聯(lián)的變量，費(fèi)力耗時(shí)，并且本文涉及的是多路輸出的情況，設(shè)計(jì)更為復(fù)雜。在此，采用美國功率集成公司（Power Integrations）設(shè)計(jì)開發(fā)的PI Expert程序來輔助完成高頻變壓器的設(shè)計(jì)。PI Expert是一個(gè)自動(dòng)化的圖形用戶界面（GUI）程序，通過接收用戶輸入的電源規(guī)格參數(shù)，自動(dòng)生成圍繞Power Integrations系列IC設(shè)計(jì)的電源轉(zhuǎn)換方案，應(yīng)用EXCEL電子表格設(shè)計(jì)電源，簡單快捷，將傳統(tǒng)人工計(jì)算與軟件計(jì)算結(jié)合，最終確定該輔助電源的設(shè)計(jì)方案，如圖2所示。

圖2 PI Expert優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)框圖

由圖2可見，在給定條件后，該軟件可以快速計(jì)算出變壓器原副邊繞組的匝數(shù)，極大地縮短了高頻變壓器的設(shè)計(jì)周期。

1.4 輸出整流濾波電路設(shè)計(jì)

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1／6以上，是影響開關(guān)電源效率的主要因素，其分為正向?qū)〒p耗和反向恢復(fù)損耗。由于肖特基二極管反向恢復(fù)時(shí)間短，在降低損耗及消除輸出電壓中的紋波方面有明顯的性能優(yōu)勢，所以選用肖特基二極管作為整流二極管。選取的原則是略大于最大反向峰值電壓。次級繞組的最大反向峰值電壓為:

式中，UO為輸出電壓值；UACmax為最大交流輸入電壓值；NP、NS為原副變繞組的匝數(shù)。

輸出濾波電容選擇低ESR的電解電容。加LC后置濾波器可以抑制輸出電容上的脈動(dòng)電壓和峰值電流。

1.5 反饋電路設(shè)計(jì)

本文選擇帶TL431的光耦反饋電路，其特點(diǎn)是:利用TL431型可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器構(gòu)成次級誤差電流放大器，再通過光耦合器對主輸出進(jìn)行精確的調(diào)整；除主輸出作為主要的反饋信號之外，其他各路輔助輸出也按照一定比例反饋到TL431的2.50 V基準(zhǔn)端，這對于全面提高多路輸出式開關(guān)電源的穩(wěn)壓性能具有重要意義，也是單片開關(guān)電源的一項(xiàng)新技術(shù)。其工作原理是當(dāng)輸出電壓增大時(shí)，經(jīng)電阻分壓后得到的取樣電壓就與TL431中的2.5 V帶隙基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，在陰極上產(chǎn)生一個(gè)減小的陰極輸出電壓，再與主輸出反饋電壓共同作用使發(fā)光二極管的工作電流增加，進(jìn)而改變光耦電流使其增加，即芯片控制腳的電流Ic，增大電流Ic就減小了TOPSwitch的輸出占空比，占空比減小，輸出電壓隨之減小，由此過程達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的，反之亦然。在設(shè)計(jì)上，由于TL431的兩個(gè)分壓電阻的比例很難精確計(jì)算，常常將TL431的兩個(gè)分壓電阻R9、R11中的一個(gè)設(shè)計(jì)成可調(diào)電阻，改變阻值以調(diào)節(jié)輸出電壓的精度，最后找到合適的電阻值。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

按以上設(shè)計(jì)步驟制作出了基于TOP250Y的開關(guān)電源，分別進(jìn)行了輕載與滿載實(shí)驗(yàn)，得到穩(wěn)定的電壓輸出，對芯片的D、S端進(jìn)行了測量，實(shí)驗(yàn)波形如圖3。

圖3 實(shí)驗(yàn)波形

由圖3可見，隨著負(fù)載的增加，開關(guān)電源的占空比在增大。當(dāng)滿載時(shí)，占空比為0.35左右。

3 結(jié)束語

單片開關(guān)電源的出現(xiàn)克服了以往開關(guān)電源設(shè)計(jì)中存在的外圍元件和輔助電路復(fù)雜等問題，有力地促進(jìn)了開關(guān)電源的高效化、集成化，提高了電源實(shí)用性。本文針對開關(guān)電源設(shè)計(jì)的5部分電路進(jìn)行分析并給出了設(shè)計(jì)方法，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。采用TOPSwitch－GX系列芯片設(shè)計(jì)的開關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)簡單、效率高、成本低，有著良好的應(yīng)用前景。

［1］周志敏，周紀(jì)海.現(xiàn)代開關(guān)電源控制電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用［M］.北京:人民郵電出版社，2005.

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［3］周志敏.單片開關(guān)電源應(yīng)用電路·電磁兼容·PCB布線［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2004.

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