1 引言
开关电源被称为高效节能型电源,因为内部电路工作在高频开关状态,自身消耗的能量很低,电源效率可达80%左右。而通常开关电源的设计使用控制电路与功率MOSFET 相分立的拓扑结构,但这种方案开发周期长,成本高,系统可靠性差。TOPSwitch系列智能开关电源集成芯片 具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等优点,从而提高了电源的效率,降低了成本,增强了系统的可靠性,因此被广泛地应用在中小功率电源中。
2 TOPSwitch_GX器件介绍
TOPSwitch_GX系列是单片开关电源第四代产品,他将高压功率MOSFET、PWM控制、过电流保护、过热保护、关断/自动重启动电路和其他电路高性价比地集成在单片CMOS上,还具有从芯片外部设定电流极限值、软启动、频率抖动、过电压关断、欠电压保护、过热滞后关断等功能[1]。通过高频变压器 使输出端与电网完全隔离,真正实现了无工频变压 器、隔离式开关电源的单片集成化,使电源设计应用更加灵活、方便。
TOPSwitch_GX属于漏极开路输出并且利用电流来线性调节占空比的AC/DC电源变换器,即电流控制型开关电源。通过改变控制端电流IC 的大小,能连续调节脉冲占空比,实现脉宽调制（PWM）,它内部的脉宽调制器是一个电流反馈式的控制电路,利用反馈电流IC来调节占空比D,达到稳压目的。当输出电压UO降低时,经过光耦 反馈电路使得IC减小,占空比增大,输出电压随之升高,最终使UO维持不变。其中,脉宽调制（PWM）采用开关频率固定而占空比可调的调试方式。
3 电路设计
以TOPSwitch_GX中的TOP245Y为例介绍此类控制芯片的应用。图1是使用TOP245Y设计出的三路输出＋15V/0.5A、－15V/0.5A、＋5V/2A,总输出功率25W。由于TOPSwitch集成度高,设计工作主要针对外围电路进行,外围电路可分为输入整流滤波电路、钳位保护电路、变压器、输出整流滤波电路及反馈电路5部分[3]。设供电条件为85V~220VAC(15%),工频,若不加说明,以下设计均以此条件为前提,根据各路输出功率之和,选择TOPSwitch芯片,可得到该型号芯片的各项参数。
图1 设计的电路原理图
3.1 输入整流滤波电路设计
输入整流滤波电路包括输入交流滤波、整流、电容 稳压三部分。交流滤波主要是滤除交流输入端的共模干扰和差模干扰,其中C1为安规电容,是为了去除差模干扰;L1为共模电感 ,采取双线并绕,是为了去除共模干扰。整流电路一般选用满足电流阈值的整流桥。输入滤波电容C2的容量与电源效率、输出功率密切相关。一般对于宽范围输入的开关电源,C2的容量可按比例系数来选取;固定输入时,比例系数变成。此外,输入滤波电容的容量大小还决定着直流高压的数值。
3.2 钳位保护电路设计
每个开关周期内,TOPSwitch的关断将导致变压器漏感产生尖峰电压。钳位保护电路由VS和VD构成。其中,VS为瞬态电压抑制器,它是一种新型的过电压保护器件,在承受瞬态高能量电压时,能迅速反向击穿,由高阻态变成低阻态,并把干扰脉冲钳位于规定值,从而保证电子元器件 不受损坏。VD称为阻塞二极管 ,一般选用快恢复二极管 。VS和VD的选择由反射电压VOR决定,VOR推荐值为135V。VS的钳位电压V 由经验公式V=1.5VOR得出;VD的耐压值应大于整流后的最大电压值。
3.3 高频变压器设计
在单端反激式开关电源中,高频变压器既是储能元件又是传递能量的主体,设计的主要参数包括初级电感量LP,变压器变比 N,初、次级绕组匝数NP、NS和反馈绕组匝数 NF 以及各绕组导线线径等。
PI公司设计开发的开关电源设计软件是一种交互式软件,可以针对相关的硬件芯片、按照使用者提出的电源规范产生具体能量转换方案。其中包括三个设计软件分别是：PI Expert、PI Transformers Designer、PIXLs Designer[4]。根据输入的电压、输出功率及芯片型号,PI Expert软件可完成电路设计的基本结构。PI Transformers Designer软件是用来设计变压器的绕线结构、各绕组匝数及线径等有关变压器的各参数,只需把用PI Expert软件设计保存的文件在PI Transformers Designer中打开即可。另外,也可以用PIXLs Designer软件来设计成电子 表格形式的,用此软件必需要首先选定TOPSwitch型号和变压器磁心型号,利用此软件可以比较清楚地知道电路设计过程中的一些性能参数及变压器设计的一些中间变量值。但是,在利用这类软件设计高频变压器之前,必须对变压器的设计过程及有关的一些名词要有所了解,这样才能设计出高效率高性能的变压器。
3.4 输出整流滤波电路设计
输出整流滤波电路由整流二极管和滤波电容构成,输出整流二极管的开关损耗占系统损耗的六分之一到五分之一,是影响开关电源效率的主要因素。肖特基二极管 是近年来间世的低功耗、大电流、超高速半导体 器件,由于其反向恢复时间极短（可以小到几纳秒）,正向导通压降仅0.4V左右,而整流电流可达到几千安培。这些优良特性是快恢复二极管所无法比拟的。因此适合作为开关电源中的低压整流管。
3.5 反馈电路设计
开关电源的反馈回路有4种基本形式：基本反馈电路;改进型反馈电路;带稳压管的光耦反馈电路和带TL431的光耦反馈电路[2]。反馈回路的形式依据输出电压精度而决定,本方案使用的“光耦＋TL431”。电压反馈信号经分压网络引入TL431的参考端,转化为电流反馈信号,然后经过光耦隔离后输入TOPSwitch的控制端。
TL431称为可调式精密并联稳压器,利用两只外部电阻 可设定2.50~36V范围内的任何基准电压值。其工作原理是当输出电压UO发生波动时,经电阻分压后得到的取样电压就与TL431中的2.5V带隙基准电压进行比较,在阴极上形成误差电压,使发光二极管的工作电流IF产生相应变化,再通过光耦去改变控制端电流IC的大小,调节TOPSwitch的输出占空比,使UO不变,从而达到稳压目的。根据TL431的工作原理,两个分压电阻的选取要求比较严格,因此可把上面的一个分压电阻设计成一个固定阻值电阻和一个可调电阻的串联,用来调节输出电压的精度。
在设计光耦反馈式开关电源时,光耦的选取可根据以下原则：光耦的电流传输比（CTR）的允许范围是50%~200%,并且要用线性光耦。因为普通光耦的CTR-IF特性呈非线性,在IF较小时的非线性失真尤为严重,不适合传输模拟信号。还有,在设计反馈回路时,反馈信号要经过光耦隔离后输入TOPSwitch的控制端,而控制端的电流IC和占空比D有关,所以光耦的反馈电流以及与其有关的电阻阻值的选取比较重要,直接决定电路反馈回路性能。
4 测试结果分析
根据以上设计原则,使用TOP245Y芯片设计出了＋5V/2A、+15V/0.5A、-15V/0.5A三路输出开关电源,图2～图4给出了实测波形。由图可见,满载时,电源工作在最大占空比35%左右。输出纹波由变压器漏感导致的尖峰电压及输出整流二极管关断时所产生,这些提高变压器制造工艺以及优化PCB 布线等方法加以改善。
5 结论
本文采用TOP245Y设计出了一种三路输出单端反激式开关电源并给出了设计方法。论文针对开关电源设计的5部分电路分别进行了分析和工程设计,提出了改进电路设计和性能的方法。另外,在画PCB图时需注意：TOPSwitch开关的源脚引线应非常短,旁路电容应尽可能靠近源脚和控制脚,同时源脚应单点接地;开关电源在轻载或空载输出时,为了抑制输出电压偏高,应在输出端加一个假负载电阻。这些有助于提高开关电源的性能和效率。