采用TOPSwitch的單端正激式電源的電路分析與設(shè)計(jì)

摘要：介紹了一種用TOPSwitch器件設(shè)計(jì)的新穎單端正激式電源電路。詳細(xì)分析了其電路設(shè)計(jì)方法，給出了主要參數(shù)的計(jì)算及實(shí)驗(yàn)波形。

關(guān)鍵詞：三端離線PWM開(kāi)關(guān)；正激變換器；高頻變壓器設(shè)計(jì)

0 引言

TOPSwitch是美國(guó)功率集成公司（PI）于20世紀(jì)90年代中期推出的新型高頻開(kāi)關(guān)電源芯片，是三端離線PWM開(kāi)關(guān)（Three-terminal off line PWM Switch）的縮寫(xiě)。它將開(kāi)關(guān)電源中最重要的兩個(gè)部分——PWM控制集成電路和功率開(kāi)關(guān)管MOSFET集成在一塊芯片上，構(gòu)成PWM/MOSFET合二為一集成芯片，使外部電路簡(jiǎn)化，其工作頻率高達(dá)100kHz，交流輸入電壓85～265V，AC/DC轉(zhuǎn)換效率高達(dá)90％。對(duì)200W以下的開(kāi)關(guān)電源，采用TOPSwitch作為主功率器件與其他電路相比，體積小、重量輕，自我保護(hù)功能齊全，從而降低了開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，是一種簡(jiǎn)捷的SMPS（Switch Mode Power Supply）設(shè)計(jì)方案。

TOPSwitch系列可在降壓型，升壓型，正激式和反激式等變換電路中使用。但是，在現(xiàn)有的參考文獻(xiàn)以及PI公司提供的設(shè)計(jì)手冊(cè)中，所介紹的都是用TOPSwitch制作單端反激式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法。反激式變換器一般有兩種工作方式：完全能量轉(zhuǎn)換（電感電流不連續(xù)）和不完全能量轉(zhuǎn)換（電感電流連續(xù)）。這兩種工作方式的小信號(hào)傳遞函數(shù)是截然不同的，動(dòng)態(tài)分析時(shí)要做不同的處理。實(shí)際上當(dāng)變換器輸入電壓在一個(gè)較大范圍發(fā)生變化，和（或者）負(fù)載電流在較大范圍內(nèi)變化時(shí)，必然跨越兩種工作方式，因此，常要求反激式變換器在完全能量和不完全能量轉(zhuǎn)換方式下都能穩(wěn)定工作。但是，要求同一個(gè)電路能實(shí)現(xiàn)從一種工作方式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N工作方式，在設(shè)計(jì)上是較為困難的。而且，作為單片開(kāi)關(guān)電源的核心部件高頻變壓器的設(shè)計(jì)，由于反激式變換器中的變壓器兼有儲(chǔ)能、限流、隔離的作用，在設(shè)計(jì)上要比正激式變換器中的高頻變壓器困難，對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)很難掌握。筆者采用TOP225Y設(shè)計(jì)了一種單端正激式開(kāi)關(guān)電源電路，實(shí)驗(yàn)證明該電路是切實(shí)可行的。下面介紹其工作原理與設(shè)計(jì)方法，以供探討。

1 TOPSwitch系列應(yīng)用于單端正激變換器中存在的問(wèn)題

TOPSwitch的交流輸入電壓范圍為85～265V，最大電壓應(yīng)力≤700V，這個(gè)耐壓值對(duì)于輸入最大直流電壓V_max=265×1.4=371V是足夠的,但應(yīng)用在一般的單端正激變換器中卻存在問(wèn)題。

圖1是典型的單端正激變換器電路，設(shè)計(jì)時(shí)通常取N_S=N_P，D_max0.5（一般取0.4）,按正激變換器工作過(guò)程,TOPSwitch關(guān)斷期間，變壓器初級(jí)的勵(lì)磁能量通過(guò)N_S，D₁，E續(xù)流（泄放）。此時(shí)，TOPSwitch承受的最大電壓為

V_DSmax≥2E=2V_max=742V（1）

圖1 單端正激式變換器電源電路

大于TOPSwitch所能承受的最大電壓應(yīng)力700V，所以，TOPSwitch不能在一般通用的正激變換器中使用。

2 TOPSwitch在單端正激變換器中的應(yīng)用

由式（1）可知，TOPSwitch不能在典型單端正激變換器中應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題，是其在關(guān)斷期間所承受的電壓應(yīng)力超過(guò)了允許值，如果能降低關(guān)斷期間的電壓應(yīng)力，使它小于700V，則TOPSwitch仍可在單端正激變換器中應(yīng)用。

2.1 電路結(jié)構(gòu)及工作原理

本文提出的TOPSwitch的單端正激變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。它與典型的單端正激變換器電路結(jié)構(gòu)完全相同,只是變壓器的去磁繞組的匝數(shù)為初級(jí)繞組匝數(shù)的2倍,即N_S=2N_P。

TOPSwitch關(guān)斷時(shí)的等效電路如圖2所示。

（a）等效電路（b）去磁電流波形

圖2 TOPSwitch器件關(guān)斷時(shí)的等效電路及去磁電流的波形

若NS與NP是緊耦合，則，即

V_NP=V_NS=E（2）

V_DSmax=V_NP＋E=E=1.5×371=556.5V700V（3）

2.2 最大工作占空比分析

按NP繞組每個(gè)開(kāi)關(guān)周期正負(fù)V·s平衡原理，有

V_NPon=V_NPoff（4）

式中：V_NPon為T(mén)OPSwitch開(kāi)通時(shí)變壓器初級(jí)電壓，V_NPon=E；

V_NPoff為T(mén)OPSwitch關(guān)斷時(shí)變壓器初級(jí)電壓，V_NPoff=（1/2）E。

解式（4）得

D_max=1/3（5）

為保險(xiǎn)，取D_max=30％

2.3 去磁繞組電流分析

改變了去磁繞組與初級(jí)繞組的匝比后，變壓器初級(jí)繞組仍應(yīng)該滿足A·s平衡，初級(jí)繞組最大勵(lì)磁電流為

i_m(t)=I_sm=D_maxT（6）

式中：L_m為初級(jí)繞組勵(lì)磁電感。