佟春雨 鄧玉福 孟德川

（沈陽(yáng)師范大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng)110034）

1 TOP243Y的介紹

TOP243Y是TOPSwich-GX 系列芯內(nèi)的一種元件，其是美國(guó)PI 公司推出、發(fā)布的第四代單片開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品，隸屬于六端芯片的范疇。有資料記載，其最大輸出功率目前已拓展至290W。配合使用了高壓CMOS 技術(shù),對(duì)高壓功率MOSFET、PWM調(diào)控、故障狀態(tài)維護(hù)與他類控制電路進(jìn)行集成處理，具體是被集成在單片CMOS芯片內(nèi)。外加其在開(kāi)啟時(shí)能消耗掉過(guò)沖與減小元件應(yīng)力的軟啟動(dòng)、削弱EMI 的抖動(dòng)欠壓保護(hù)程度及過(guò)壓關(guān)斷、能夠依照一定程序編寫(xiě)限流控制及特有的EcoSmart 技術(shù),使電路設(shè)計(jì)過(guò)程更具有精簡(jiǎn)性，設(shè)計(jì)周期明顯被短縮，這也使TOP243Y在同類芯片產(chǎn)品中更占據(jù)優(yōu)勢(shì)的主要原因之一[1]。

2 設(shè)計(jì)思路

針對(duì)本課題研究設(shè)計(jì)出的多路輸出開(kāi)關(guān)電源，多建議將其裝配在儀表儀器電路內(nèi)，主要設(shè)計(jì)要求包括如下：

輸入電壓的變化范疇：85V～265V，50/60Hz；

主輸出電壓（U0）、輸出電流（I0）、輸出電壓精準(zhǔn)度分別是+5V、1A、±1%；將負(fù)載調(diào)整率、電壓調(diào)整率分別控制在0.3%、0.5%內(nèi)；

輸出電壓（U0）：+15V、輸出電流（I0）：0.2A。

綜合分析以上設(shè)定的設(shè)計(jì)要求，決定選用TOP243Y作為控制芯片構(gòu)成單端反激式開(kāi)關(guān)電源。輸入整流及濾波、鉗位保護(hù)、高頻變壓電路、輸出電路等是電路的主要構(gòu)成。“單端”即采用TOPSwich-GX 系器件內(nèi)僅存有單個(gè)脈沖調(diào)制信號(hào)功率，用其輸出端漏極D，“反激式”實(shí)質(zhì)上就是MOSFET被導(dǎo)通時(shí)，在變壓器的初級(jí)繞組上存儲(chǔ)電能，只有在MOSFET 發(fā)出關(guān)閉、斷離動(dòng)作時(shí)，方會(huì)將電能輸送給次級(jí)，鑒于開(kāi)關(guān)頻率能夠達(dá)到66kHz的實(shí)況，變壓器能保證能量存儲(chǔ)、釋放過(guò)程的快速性，歷經(jīng)高頻整流濾波處理后便能順利的獲取到直流持續(xù)輸出，TOP243Y 芯片能夠精準(zhǔn)的檢測(cè)出輸出直流電壓的大小，并且會(huì)把其和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行放大處理，合理調(diào)節(jié)功率輸出端占空比這一指標(biāo)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)變換器的精準(zhǔn)控制，更好的維持輸出電壓的穩(wěn)定性。

在極低壓或過(guò)壓時(shí)狀態(tài)下，TOP243 Y芯片的軟啟動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)率達(dá)到了100.0%，故而能夠使被設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源在輸入電壓偏寬的范疇（85V～265V）中運(yùn)作。利用TOP243 Y芯片能誘導(dǎo)開(kāi)關(guān)頻率的提升過(guò)程，使頻率值最大能達(dá)到132kHz，借此方式去壓縮高頻變壓器及開(kāi)關(guān)電源的形體。若探查到開(kāi)關(guān)電源負(fù)載非常輕時(shí)，TOP243 Y芯片可以智能化的調(diào)低開(kāi)關(guān)頻率，將其由高值132kHz降至30kHz，減少開(kāi)關(guān)裝置對(duì)電能損耗量，電源運(yùn)作效率也有很大提升[2]。TOP243 Y芯片的優(yōu)點(diǎn)眾多，包括高集成性、高性價(jià)比、簡(jiǎn)化外圍電路等，利用其組成的開(kāi)關(guān)電源持有優(yōu)良的控制性能，功能齊全，運(yùn)作過(guò)程安穩(wěn)、可靠。

3 選擇高頻變壓器的磁芯及計(jì)算參數(shù)

本文設(shè)計(jì)出的開(kāi)關(guān)電源的瞬時(shí)輸出功率最大值（P0）是11W，TOP243 Y芯片的開(kāi)關(guān)頻率（Fs）是132kHz，以此為基礎(chǔ)合理選擇磁芯并測(cè)算出相關(guān)參數(shù)。

3.1 變壓器磁芯。針對(duì)高頻變壓器磁芯，在選擇應(yīng)用過(guò)程中均要合理分析變壓器在作業(yè)頻率點(diǎn)位的損耗程度與磁密情況。綜合多方面因素后，本文設(shè)計(jì)決定選用功率鐵氧體材料，其在磁導(dǎo)率、高電阻率以及經(jīng)濟(jì)性等諸多方面均占優(yōu)勢(shì)，參照制造商提供的圖形、表格，最后決定選用EE19 型鐵氧體磁芯作為變壓器的磁芯，具體參數(shù)如下：等效磁路長(zhǎng)（Le）：39.4mm;等效橫截面積（Ae）：23.0mH，無(wú)氣隙狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的等效電感量(AL):1250nH，骨架寬(BW):9.0mm。

3.2 測(cè)算高頻變壓器的參數(shù)。在具體測(cè)算過(guò)程中，先要合理選擇出一個(gè)工作點(diǎn)位，該點(diǎn)位實(shí)質(zhì)上就是計(jì)算高頻變壓器參數(shù)，交流輸入電壓最低的部位，對(duì)應(yīng)的輸出功率最大。在多路輸出階段，選擇原邊感應(yīng)電壓（VOR）為100V，該數(shù)值能較好的維持交叉穩(wěn)壓的準(zhǔn)確性及提升效率。

3.2.1 測(cè)算輸入電壓確定最大占空比。利用（1）式計(jì)算出最小直流輸入電壓VMIN[3]：

根據(jù)此公式，能夠測(cè)算出+5V、+15V、-15V三路輸出的最大電流依次是7.39A、2.61A、2.61A。

3.2.7 計(jì)算出高頻變壓器的氣隙。對(duì)于單端反激使變壓器而言，其在應(yīng)用階段為了能減少或規(guī)避發(fā)生磁芯進(jìn)入飽和狀態(tài)的情況，降低磁芯自身?yè)p耗與發(fā)熱程度，建議將一個(gè)大小適宜的氣隙增設(shè)到磁芯回路內(nèi)；針對(duì)氣隙的長(zhǎng)度Lg，可以采用（9）式計(jì)算出來(lái)：

4 優(yōu)化變壓器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)

Designer 8 軟件最大的特點(diǎn)是，其內(nèi)的專家系統(tǒng)應(yīng)用圖形界面的開(kāi)關(guān)電源，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)效果的一種工具式軟件。軟件在應(yīng)用階段能接受并兼容用戶群體輸出的開(kāi)關(guān)電源尺寸參數(shù)，智能產(chǎn)生由PI 器件組成的電源設(shè)計(jì)方案，這樣便能順利、清晰的觀察到高頻變壓器內(nèi)部形成的繞向結(jié)構(gòu)，并繪制相應(yīng)的電氣屬性原理圖，據(jù)此更有針對(duì)性的整改變壓器的主要參數(shù)，借此方式優(yōu)化設(shè)計(jì)，取得較理想的成績(jī)。

參照本次被設(shè)計(jì)電源的實(shí)際要求，先將連接結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)定為著手點(diǎn)。分離式、疊加式繞法是多路輸出開(kāi)關(guān)電源輸出端經(jīng)常應(yīng)用的連接形式，在前種繞法中不同次級(jí)繞組之間相互獨(dú)立，靈活布設(shè)，但需耗用較高的資金成本，外加骨架上方設(shè)置了數(shù)目較多的引腳，導(dǎo)致整體漏感相對(duì)較大。而疊加式繞法在部署次級(jí)繞組環(huán)節(jié)的靈活性不足，但有時(shí)在于低壓輸出繞組能將局部匝數(shù)與接地端提供給高壓繞組，能減少導(dǎo)線資源的耗用量，壓縮線圈體積，不僅有較高的經(jīng)濟(jì)性，還強(qiáng)化了不同次級(jí)繞組之間的耦合性。綜合以上分析的內(nèi)容，本文設(shè)計(jì)時(shí)決定采用疊加式繞法，強(qiáng)化了次級(jí)繞組見(jiàn)的耦合性，提升了電源的效率。

5 檢測(cè)及分析結(jié)果

在實(shí)物體測(cè)試階段，具體檢測(cè)了輸入電壓及負(fù)載不同的狀況下電源的參數(shù)，并且還采集不同電路輸出的波形與TOP243 Y 芯片在運(yùn)作時(shí)漏源極對(duì)應(yīng)的波形，統(tǒng)計(jì)并分析檢測(cè)結(jié)果，并依照公式計(jì)算出電網(wǎng)及負(fù)載調(diào)整率，經(jīng)判斷后確認(rèn)計(jì)算參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求，提示開(kāi)關(guān)電源的穩(wěn)壓性優(yōu)良。

同時(shí)還檢測(cè)了110V AC 輸入1A 負(fù)載時(shí)主要輸出的波形，測(cè)算出輸出電壓紋波峰的最大值是175mV，對(duì)應(yīng)的紋波系數(shù)偏小，提示開(kāi)關(guān)電源的電磁自身具有良好的兼容性。當(dāng)電源的負(fù)載較輕時(shí)，TOP243 Y芯片的占空比大概是29%，若把電源負(fù)載加重至0.6A，此時(shí)TOP243 Y的占空比提升至48%。

采用TOP243 Y芯片設(shè)計(jì)單端反激式電源電壓器的流程極為復(fù)雜，前期設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性關(guān)系著參數(shù)計(jì)算過(guò)程，故而在具體設(shè)計(jì)實(shí)踐中需要對(duì)變壓器的作業(yè)原理及不同參數(shù)之間建設(shè)的關(guān)系有較全面認(rèn)識(shí)。本文在完成設(shè)計(jì)測(cè)算后，巧用Designer 8 軟件對(duì)變壓器進(jìn)行優(yōu)化處理，借此方式提升被設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)果的精準(zhǔn)度、合理性。分析測(cè)試檢出結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)出的開(kāi)關(guān)電源在穩(wěn)壓性、電磁兼容性等方面均占據(jù)優(yōu)勢(shì)，符合設(shè)計(jì)要求。