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。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_max<0.5（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=556.5V<700V（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TOPSwitch開(kāi)通時(shí)變壓器初級(jí)電壓，V_NPon=E；

V_NPoff為TOPSwitch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。

當(dāng)i_m(i)=I_sm時(shí)，B=B_max，H=H_max，則去磁電流最大值為

??? I_sm=I_pm(7)

式中：l_c為磁路長(zhǎng)度；

????? I_pm為初級(jí)電流的峰值。

??? 根據(jù)圖2（b）去磁電流的波形可以得到去磁電流的平均值和去磁電流的有效值Is分別為

??? =dt=（8）

??? I_s==（9）

??? 下面討論當(dāng)N_P=N_S，D_max=0.5與N_P=N_S，D_max=0.3時(shí)的去磁電流的平均值和有效值。設(shè)上述兩種情況下的H_max或B_max相等，即兩種情況下勵(lì)磁繞組的安匝數(shù)相等，則有

??? I_m1N_P1=I_m2N_P2（10）

式中：N_P1為D_max=0.5時(shí)的勵(lì)磁繞組匝數(shù)；

????? N_P2為D_max=0.3時(shí)的勵(lì)磁繞組匝數(shù)；

??? 設(shè)L_m1及L_m2分別為D_max=0.5和D_max=0.3時(shí)的初級(jí)繞組勵(lì)磁電感，則有

??? I_m1=×0.5T為D_max=0.5時(shí)的初級(jí)勵(lì)磁電流；

??? I_m2=×0.3T為D_max=0.3時(shí)的初級(jí)勵(lì)磁電流。

由式（10）及L_m1，L_m2分別與N_P12，N_P22成正比，可得兩種情況下的勵(lì)磁繞組匝數(shù)之比為

??? （11）

及

??? （12）

當(dāng)N_S1=N_P1時(shí)和N_S2=2N_P2時(shí)去磁電流最大值分別為

??? I_sm1=Im₁=I_m（13）

??? I_sm2=I_m2=I_m（14）

??? 將式（10）～（14）有關(guān)參數(shù)代入式（8）～（9）可得到，當(dāng)D_max=0.5時(shí)和D_max=0.3時(shí)的去磁電流平均值及與有效值I_s1及I_s2分別為

??? =I_m??? I_s1=0.408I_m??? （D_max=0.5）

??? ≈0.29I_m??? I_s2=0.483I_m??? （D_max=0.3）

從計(jì)算結(jié)果可知，采用N_S=2N_P設(shè)計(jì)的去磁繞組的電流平均值或有效值要大于N_S=N_P設(shè)計(jì)的去磁繞組的電流值。因此，在選擇去磁繞組的線徑時(shí)要注意。

3??? 高頻變壓器設(shè)計(jì)

??? 由于外圍電路元件少,該電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是高頻變壓器,下面給出其設(shè)計(jì)方法。

3.1??? 磁芯的選擇

??? 按照輸出V_o=15V，I_o=1.5A的要求，以及高頻變壓器考慮6％的余量，則輸出功率P_o=1.06×15×1.5=23.85W。根據(jù)輸出功率選擇磁芯，實(shí)際選取能輸出25W功率的磁芯，根據(jù)有關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)選用EI25，查表可得該磁芯的有效截面積A_e=0.42cm²。

3.2??? 工作磁感應(yīng)強(qiáng)度ΔB的選擇

??????? ΔB=0.5B_S，B_S為磁芯的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，由于鐵氧體的B_S為0.2～0.3T，取ΔB=0.15T。

3.3??? 初級(jí)繞組匝數(shù)N_P的選取

??? 選開(kāi)關(guān)頻率f=100kHz（T=10μs），按交流輸入電壓為最低值85V，E_min≈1.4×85V，D_max=0.3

計(jì)算則

??? N_P===52.6取N_P=53匝。

3.4??? 去磁繞組匝數(shù)N_S的選取

??? 取N_S=2N_P=106匝。

3.5??? 次級(jí)匝數(shù)N_T的選取

??? 輸出電壓要考慮整流二極管及繞組的壓降，設(shè)輸出電流為2A時(shí)的線路壓降為7％，則空載輸出電壓V_O0≈16V。

??? N_T===23.8

??? 取N_T=24匝。

3.6??? 偏置繞組匝數(shù)N_B的選取

??? 取偏置電壓為9V，根據(jù)變壓器次級(jí)伏匝數(shù)相等的原則，由16/24=9/N_B，得N_B=13.5,取N_B=14匝。

3.7??? TOPSwitch電流額定值I_CN的選取

??? 平均輸入功率P_i==28.12W（假定η=0.8），在D_max時(shí)的輸入功率應(yīng)為平均輸入功率，因此P_i=D_maxE_minI_C=0.3×85×1.4×I_C=28.12，則I_C=0.85A，為了可靠并考慮調(diào)整電感量時(shí)電流不可避免的失控，實(shí)際選擇的TOPSwitch電流額定值至少是兩倍于此值，即I_CN>1.7A。所以，我們選擇I_LIMIT=2A的TOP225Y。

4??? 實(shí)驗(yàn)指標(biāo)及主要波形

??? 輸入AC 220V，頻率50Hz，輸出DC V_o=15(1±1％)V，I_O=1.5A，工作頻率100kHz，圖3及圖4是實(shí)驗(yàn)中的主要波形。

??? 圖3中的1是開(kāi)關(guān)管漏源電壓V_DS波形，2是輸入直流電壓E波形，由圖可知V_DS=1.5E；圖4中的1是開(kāi)關(guān)管漏源電壓V_DS波形，2是去磁繞組電流i_s波形，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析是完全吻合的。

圖3??? 輸入直流電壓E與漏源電壓V_DS波形

圖4??? 漏源電壓與去磁電流i_s波形

5??? 結(jié)語(yǔ)

??? TOPSwitch自上世紀(jì)90年代中期推出以來(lái)，以其外圍元件大大減少，成本低，電源設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化及完備的系統(tǒng)故障保護(hù)，而倍受低壓、小功率電源設(shè)計(jì)人員的青睞。TOPSwitch系列亦可在降壓型，升壓型，正激式和反激式等變換電路中使用，具有廣泛的應(yīng)用前景。