TOPSwitch_GX系列單端反激式開關電源設計

　　1 引言

　　開關電源被稱為高效節(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。而通常開關電源的設計使用控制電路與功率MOSFET相分立的拓撲結構，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定電流極限值、軟啟動、頻率抖動、過電壓關斷、欠電壓保護、過熱滯后關斷等功能[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、隔離式開關電源的單片集成化，使電源設計應用更加靈活、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）采用開關頻率固定而占空比可調(diào)的調(diào)試方式。

　　3 電路設計

　　以TOPSwitch_GX中的TOP245Y為例介紹此類控制芯片的應用。圖1是使用TOP245Y設計出的三路輸出＋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]。設供電條件為85V~220VAC(15%)，工頻，若不加說明，以下設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 設計的電路原理圖

　　3.1 輸入整流濾波電路設計

　　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。一般對于寬范圍輸入的開關電源，C2的容量可按比例系數(shù)來選?。还潭ㄝ斎霑r，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 鉗位保護電路設計

　　每個開關周期內(nèi)，TOPSwitch的關斷將導致變壓器漏感產(chǎn)生尖峰電壓。鉗位保護電路由VS和VD構成。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的耐壓值應大于整流后的最大電壓值。

　　3.3 高頻變壓器設計

　　在單端反激式開關電源中，高頻變壓器既是儲能元件又是傳遞能量的主體，設計的主要參數(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 以及各繞組導線線徑等。

　　PI公司設計開發(fā)的開關電源設計軟件是一種交互式軟件，可以針對相關的硬件芯片、按照使用者提出的電源規(guī)范產(chǎn)生具體能量轉換方案。其中包括三個設計軟件分別是：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軟件可完成電路設計的基本結構。PI Transformers Designer軟件是用來設計變壓器的繞線結構、各繞組匝數(shù)及線徑等有關變壓器的各參數(shù)，只需把用PI Expert軟件設計保存的文件在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計過程中的一些性能參數(shù)及變壓器設計的一些中間變量值。但是，在利用這類軟件設計高頻變壓器之前，必須對變壓器的設計過程及有關的一些名詞要有所了解，這樣才能設計出高效率高性能的變壓器。

　　3.4 輸出整流濾波電路設計

　　輸出整流濾波電路由整流二極管和濾波電容構成，輸出整流二極管的開關損耗占系統(tǒng)損耗的六分之一到五分之一，是影響開關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、超高速半導體器件，由于其反向恢復時間極短（可以小到幾納秒），正向導通壓降僅0.4V左右，而整流電流可達到幾千安培。這些優(yōu)良特性是快恢復二極管所無法比擬的。因此適合作為開關電源中的低壓整流管。

　　3.5 反饋電路設計

　　開關電源的反饋回路有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)絡引入TL431的參考端，轉化為電流反饋信號，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。

　　在設計光耦反饋式開關電源時，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，所以光耦的反饋電流以及與其有關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 測試結果分析

　　根據(jù)以上設計原則，使用TOP245Y芯片設計出了＋5V/2A、+15V/0.5A、-15V/0.5A三路輸出開關電源，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致的尖峰電壓及輸出整流二極管關斷時所產(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 結論

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