基于TOPSwitch 及PI Expert 的单端反激式开关电源设计

摘要：TOPSwitch单片开关电源芯片集PWM控制器和高压MOSFET于一体，性能优异，可靠性高。与之配套的PI Expert软件，功能强大、使用简单，用来设计开关电源可降低成本、缩短周期，提高效率。利用TOPSwitch及PI Expert设计了一种单端反激式多路输出开关电源。试验结果表明，该电源结构简单，运行可靠，输出稳定。

关键词：开关电源；反激变换器；变压器；TOPSwitch

Abstract:TOPSwitch series integrated with PWM controller and high voltage MOSFET has high performance and reliability. The related software PI Expert which is easy to utilize can be applied to design switching mode power supplies (SMPS) with low cost and short design circle. A multiple output Flyback SMPS circuit is designed based on TOPSwitch and PI Expert. The experiment results show that the SMPS circuit has simple circuit topology, reliable working performance and stable output.

0 引言

开关电源以其小型、轻量和高效率的特点，被广泛地应用于各种电气设备和系统中，其性能的优劣直接关系到整个系统功能的实现。开关稳压电源有多种类型，其中单端反激式开关电源由于具有线路简单，所需要的元器件少，能够提供多路隔离输出等优点而广泛应用于小功率电源领域。

传统的单端反激电源一般由PWM 控制芯片（如UC3842）和功率开关管（频率较高时一般使用MOSFET）组成，PWM 芯片控制环路设计复杂，容易造成系统工作不稳定，功率开关管有时需要外加驱动电路。另外，反激变压器的设计也是一个难点，其往往导致电源设计周期延长。随着PI 公司生产的以TOPSwitch为代表的新一代单片开关电源的问世，以上诸多问题都得到了很好的解决。应用TOPSwitch设计开关电源，不仅器件更少，结构更简单，发热量更少，工作更可靠，而且与之配套的软件设计平台PI Expert 使得变压器的设计也变得异常容易。两者结合已成为一种高效的开关电源设计方案。本文以一个具体的设计实例，详细阐述了如何应用TOPSwitch 及PI Expert进行开关电源设计，并通过试验进行了验证。

1 单端反激电源基本工作原理

单端反激式开关电源的基本工作原理比较简单。采用基本反馈电路的基于TOPSwitch 的单端反激电路如图1 所示，其中变压器T1 具有能量存储、原副边隔离和电压转换三种作用。

图1 单端反激电源原理图

TOPSwitch 开通时副边整流二极管D2 截止，此间输出负载的能量由C1 提供；TOPSwitch 关断后，变压器磁心中的磁通减少，副边绕组电压极性反向，整流二极管开始导通，存储在变压器中的能量输送给负载，同时补充C1先前减少的能量。

根据变压器原边电流是否减小到零，可以将单端反激式开关电源分为断续和连续两种工作模式。不同工作模式对整个电源的效率以及相关参数的选择都有一定影响。

2 TOPSwithch及PI Expert 简介

TOPSwitch 系列单片开关电源是美国PowerIntegrations（PI）公司开发的新型开关电源芯片，其将离线式开关电源所必需的各种功能模块都集成到一块芯片上，包括高压功率场效应管MOSFET、PWM 控制器、高频振荡器、高压启动偏置电路、基准电压、误差放大器、用于环路补偿的并联偏置调整器以及各种保护电路等。

TOPSwitch 主要引脚有三个，分别为引脚DRAIN（D）、引脚SOURCE（S）和引脚CONTROL（C），附加引脚包括过欠压检测（L）、电流限制（X）以及频率选择（F）。

使用时需在C和S之间接一个47滋F 旁路电容，利用该电容的充电过程来实现电路的软启动。CONTROL引脚为误差放大器和反馈输入脚，实现占空比调节控制。

PI Expert 是PI 公司专门针对TOPSwitch 开发的一种交互式电源设计软件平台。其特点是简单易用、灵活方便，是一种高效的开关电源设计工具。

3 设计实列

本文设计一种单端反激式多路输出开关电源，用作电气传动系统中的控制及驱动电源。其输入电压为交流85耀265V，并要求整个电路结构简单、工作可靠，具有过欠压保护功能。各路输出之间相互电气隔离，其中用作控制电源的一路要求输出功率较大，稳压精度依5豫，用作驱动的各路输出功率较小，稳压精度依10%。

3.1 电路结构选择

单端反激式开关电源的电路结构根据采用的反馈方式的不同可分为以下几种：

（1）Primary/Basic 型，利用绕组进行反馈；

（2）Primary/Bnhanced 型，利用绕组和一个齐纳二极管进行反馈；

（3）Opto/Zener 型，利用光耦和齐纳二极管进行反馈；

（4）Opto/TL431 型，利用光耦和精密基准源TL431 进行反馈。

以上几种结构，性能依次增强，但成本和复杂程度也依次增加。

Primary/Basic 型结构最简单，只需要一个电阻，利用各绕组之间的磁耦合关系，直接采用绕组进行反馈（图1 所示）。本设计采用这种结构，并对要求有较高稳压精度的+5V控制电源一路加装一片稳压芯片（如7805），这样既保证了所要求的输出有足够的稳压精度，同时也省去了反馈光耦和精密基准源TL431，电路结构简单，工作可靠，从成本上考虑也是可取的。

系统电路图如图2 所示。

图2 中，P6KE200 和BYV26C 组成关断过压吸收电路，R1为过欠压检测电阻袁R2为过流检测电阻，NF为反馈绕组袁RF为反馈电阻。

图2 系统电路图

3.2 反激变压器设计

变压器是开关电源的核心部件，其设计的好坏直接影响开关电源的性能。由于在反激式开关电源中，反激变压器除了实现原副边隔离和电压转换外，还承担储能的作用，所以在常规的变压器设计方法基础之上，反激变压器的设计还要特别关注原边电感量这个重要参数，其直接影响变压器储能的大小。

手工设计反激变压器非常复杂。需要计算原边电感量，根据功率初步选定一个磁芯和骨架，计算原副边匝数，计算线径，计算气隙长度，最后核算窗口面积和最大磁通密度，如超过限定值，则需重新设计。经过反复的计算及修改，直到满足要求为止。

应用PI Expert 软件只需经过几步简单的操作，就能得到设计结果。包括所推荐的变压器磁芯型号、原副边匝数、导线线径、原边电感量和TOP原Switch 芯片型号等关键参数。最终设计参数如下：

TOPSwitch芯片型号 TOP243Y；

磁芯型号 EI22；

原边电感 600μH；

原边匝数原边56 匝；

副边匝数 3 匝（5V），8 匝（15V）；

反馈绕组匝数 4 匝；

线径 35AWG（原边），31-35AWG（15V），21-25AWG（5V）。

另外，在此基础上还可以用PI 公司提供的PITransformer Designer 软件对变压器参数进行优化。

4 试验结果及分析

根据以上设计，实际构建了一个基于TOP243Y的单端反激式多路输出开关电源硬件电路进行试验。

4.1 自动重启试验

为了掌握TOPSwitch 芯片的工作特性，在搭建好试验电路后，断开芯片控制端的反馈电路，仅在漏源之间加一个30 V 左右的低电压对其进行自动重启试验。图3为自动重启过程波形图。通道1为漏极电压波形，通道2 为控制端电压波形。从图3 中可以看出，控制端电压VC保持在4.8~5.8V之间，这是由芯片内部的高压电流源不断对控制端电容进行充放电形成的。每经过8 个这样的充放电周期，芯片将重启一次，这样极大地减少了芯片的功耗。另外，一些电路故障（如输出短路）也会导致TOPSwitch芯片进入自动重启过程。