新型TOPSwitch-GX系列電源的PI設(shè)計

電源設(shè)計需要考慮有關(guān)半導(dǎo)體器件、模擬電路、數(shù)字電路、電磁特性、電磁兼容性、熱力學(xué)等多方面。傳統(tǒng)設(shè)計方法要靠人工來完成，其步驟繁瑣、工作量大、效率低。而電源模塊SG3525或UC3842的外圍電路又較復(fù)雜，電路中某個元器件參數(shù)稍不合適。電源就不能穩(wěn)定工作。為此，本文給出了采用PI Expert電源設(shè)計軟件對電源模塊進(jìn)行設(shè)計基本方法。

1 TOPSwitch—GX系列產(chǎn)品的性能特點(diǎn)

PowerIntegration公司在第三代單片開關(guān)電源TOPSwitch—FX基礎(chǔ)上推出的第四代單片開關(guān)電源TOPSwitch—GX系列芯片。其最大輸出功率已擴(kuò)展到290 W。由于將高壓功率MOSFET、PWM控制、故障保護(hù)和其它控制電路高性價比地集成在單片CMOS芯片上，再加上其可在啟動時消除過沖、降低元件應(yīng)力的軟起動、小EMI頻率抖動、欠壓保護(hù)和過壓關(guān)斷、可編程限流和獨(dú)有的Ecosmart節(jié)能等技術(shù)。該芯片可大大簡化電路設(shè)計，縮短設(shè)計周期。與TOPSwitch—FX相比，TOPSwitch—GX系列產(chǎn)品有如下優(yōu)點(diǎn)：

◇ 輸出功率可擴(kuò)展到290 W；

◇ 新增加了線路檢測端(L)和從外部設(shè)定極限電流端(X)這兩個引腳，用于代替TOP-Switch—FX的多功能端(M)的全部控制功能，使用更加靈活、方便；

◇ 具有更高的占空比，輸出功率更大、輸入電容更小;

◇ 有分開的線路檢測端與電流限制端；

◇ 線路前饋縮小了最大占空比，以抑制脈動紋波，并在電網(wǎng)電壓較高時起限制作用；

◇ 工作頻率提高到132 kHz，減少了變壓器和電源的尺寸；

◇ 當(dāng)開關(guān)電源的負(fù)載很輕時，能自動將開關(guān)頻率從132 kHz降低到30 kHz(半頻模式下則由66 kHz降至15 kHz)，這樣，可降低開關(guān)損耗，進(jìn)一步提高電源效率；

◇ 采用先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)，功耗低，在110VAC時為80 mW，在230VAC時為160 mW。

2 基于TOPSwitch—GX的多路輸出設(shè)計

PI Expert電源設(shè)計軟件是PI公司開發(fā)的簡單易用、節(jié)省時間的創(chuàng)新設(shè)計工具。它是一種交互式軟件，可以針對相關(guān)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(zhuǎn)換方案。PI Ex-pert提供一種直觀的、一步一步的設(shè)計界面，讓使用者分別設(shè)定變壓器、輸入電容參數(shù)和所用的PI芯片。完整的電路設(shè)計還包括輸出電容、鉗位二極管等參數(shù)選擇，電源發(fā)熱量、電路安全性分析也可以在軟件設(shè)計中加以考慮。利用PI公司的PI Expert軟件開發(fā)平臺，可以方便地設(shè)計開關(guān)電源電路、選擇電路拓?fù)?、芯片系列、芯片封裝、工作頻率以及其他相關(guān)特性參數(shù)。該軟件根據(jù)用戶給定的輸入?yún)?shù)、輸出參數(shù)、優(yōu)化方式、器件系列等相關(guān)信息。通過計算可給出器件變量電源部分元件選擇、電源輸出參數(shù)、變壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)和次級參數(shù)等信息。

2．1 設(shè)計要求及設(shè)計步驟

該系統(tǒng)的設(shè)計輸入電壓AC195～265V，頻率50Hz。輸出電壓24V時，最大輸出電流2A；輸出電壓12 V時，最大輸出電流有3 A和1 A兩種；輸出電壓8V時，最大輸出電流2A。同時要求輸入與輸出隔離。并能實(shí)現(xiàn)輸入欠壓和過壓保護(hù)、可外部設(shè)定極限電流等功能。

該系統(tǒng)的設(shè)計步驟如下：

(1)打開PI Expert設(shè)計軟件，新建一個設(shè)計文件，從FILE／NEW進(jìn)入設(shè)計文件名的設(shè)置，輸入設(shè)計名“多路輸出電源模塊”，選擇區(qū)域后點(diǎn)擊OK進(jìn)入輸入輸出設(shè)置，操作后的界面如圖1。 

(2)在輸入窗口選擇芯片頻率和封裝，根據(jù)所需功率容量選擇頻率為TOPGX130 kHz。采用Y封裝方便安裝，有助于散熱。輸入根據(jù)實(shí)際選擇AC195～265，優(yōu)化方式為最低成本Cost，此時右側(cè)即出現(xiàn)了設(shè)計所需電路圖，如圖2所示。

(3)輸出設(shè)置。根據(jù)實(shí)際在輸出窗口添加輸出電24 V；最大輸出電流2 A；輸出電壓12 V，最大輸出電流3 A；輸出電壓12 V，最大輸出電流1 A；輸出電壓8 V，最大輸出電流2A。添加后的界面視圖如圖3所示。

(4)設(shè)計結(jié)果輸出。運(yùn)行菜單Navigate／AutoDesign后即可輸出設(shè)計結(jié)果。

2．2 高頻變壓器的選擇

變壓器設(shè)計也可以通過軟件來實(shí)現(xiàn)。本方案采用了PI Expert軟件。計算相當(dāng)簡單，僅需輸入相關(guān)設(shè)計參數(shù)，軟件就會輸出所需的變壓器設(shè)計參數(shù)。初級線圈電感量Lp=382μH；初級匝數(shù)Np=32；初級線徑AWG20(O．813 mm)三股并繞；反饋繞組匝數(shù)NB=3．0；磁芯采用E135，選用鐵氧體磁性材料。制作相關(guān)參數(shù)；氣隙Lc=0．30 mm；初級漏感LL=2．9μH；次級24 V／2 A組匝數(shù)為6匝，AWG22(O．643 mm)3股并繞；次級12 V／3 A組匝數(shù)為3匝，AWG24(0．51 mm)4股并繞；次級12 V／1 A組匝數(shù)為3匝，AWG24(0．51 mm)；8 V／2 A組AWG22(0．643 mm)2股并繞。軟件給出的參數(shù)都是經(jīng)過一定優(yōu)化的。實(shí)際設(shè)計中可優(yōu)先選用推薦參數(shù)，實(shí)踐證明，這樣做是合理。

PI—Expert軟件推薦變壓器采用堆疊式的繞制方法。其優(yōu)點(diǎn)就是能加強(qiáng)磁耦合、改善輕載時的穩(wěn)壓性能、骨架上的引腳較少、并且制造成本較低。繞制過程中，初級繞組在最里層，有利于減少初級繞組的分布電容，降低初級繞組對相鄰元件的干擾；12V／3A繞組緊挨初級繞組，其次由里向外分別為反饋繞組、24 V／2 A、8V／2 A、12V／1A用于減少漏感：反饋繞組在主電源的外邊，反饋繞組與次級繞組耦合最強(qiáng)。對電壓的變化敏感，有利于提高穩(wěn)壓效果。各繞組層之間的絕緣使用聚脂薄膜隔離，保證了較好的絕緣強(qiáng)度。同時，為了降低磁輻射、減小溫升及便于安裝，在初級與次級線圈之間以及其外圈都用銅片隔離，且縫隙處用導(dǎo)熱膠灌注。在變壓器的設(shè)計和制作過程中，必須對磁芯與線圈的結(jié)構(gòu)、繞制方法、散熱、效率等周密考慮。

2．4 電路工作原理

輸入交流195～265 V電壓接入交流電源進(jìn)線端的LC，專門用于濾除電網(wǎng)線之間的串模干擾和共模干擾。交流電壓經(jīng)全橋整流后。再通過濾波電容變成較平滑的直流電壓：與變壓器原邊并聯(lián)的吸收電路采用鉗位電壓為200 V的P6KE200型瞬態(tài)電壓；VD選用BYV26C型超快恢復(fù)二極管，其反向耐壓為600 V，可構(gòu)成保護(hù)功能完善的VS、VD、R、C型鉗位及吸收電路，以便吸收漏感上較大的磁場能量，從而保護(hù)MOSFET不受損壞。由高頻變壓器T1和TOP246Y組成的單端反激電路，可將能量傳輸?shù)蕉蝹?cè)；輸出整流二極管采用共陰極肖特基對管．輸出濾波電路由L和C并聯(lián)構(gòu)成；線性光耦合器PC817和可調(diào)式三端精密穩(wěn)壓器TLA31組成精密光耦反饋電路；輸出電壓Uo通過電阻分壓器獲得取樣電壓，并與TLA31中的2．5 V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較后產(chǎn)生誤差電壓，再經(jīng)過光耦隔離放大，可改變TOP246Y的控制端電流Ic，使占空比發(fā)生變化，進(jìn)而調(diào)節(jié)Uo保持不變；反饋繞組的輸出電壓經(jīng)VD、C整流濾波后，給光耦的接收端提供偏壓。這種設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)在于：正常工作時VS的損耗非常小，泄漏磁場能量主要由R分擔(dān)；抑制器件的關(guān)鍵作用是限制在起動(或過載)情況下的尖峰電壓，確保MOSFET的漏極電壓低于700 V。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

輸入電壓為AC230V時，測得如表1所列的結(jié)果，電源效率高達(dá)90％，負(fù)載調(diào)整率為