张志飞 喻志刚杨国乐 夏明涛
大连海事大学轮机工程学院辽宁大连 116026
完成单位：大连海事大学
国家级大学生创新创业训练计划项目。
【文章摘要】
以电能质量监测装置的电源设计为例，介绍了一种基于TOPSwitch-GX 芯片的多路输出开关电源的设计过程，并阐述了其工作原理。先利用单片开关电源设计软件PI Expert 进行设计，然后再根据需要进行修正设计，从而提高电源的成功率和准确性。增加辅助反馈调节，可以提高开关电源的交叉负载调整率，同时将线性三端稳压器和开关电源相结合，可以提高电源输出的稳定性。实验结果表明该电源输出稳定，工作可靠。
【关键词】
开关电源;TOPSwitch-GX 芯片;PI Exp ert 软件; 多路输出稳压; 辅助反馈
0 引言
美国功率集成公司（Power Integration Inc，以下简称PI 公司）开发的TOPSwitch 系列智能高频开关电源集成芯片由于可靠性高、稳定性强、外部电路结构简单被广泛地应用在中小功率开关电源中。同时利用TOPSwitch-GX 芯片设计开关电源， 整个系统可以由软件平台PI Expert [1] 进行实现，从而极大地缩短了开关电源的设计周期，降低了设计成本。电能质量监测装置一般具有信号采集、DSP、ARM 显示等模块，需要±12V、+5V、+3.3V 的直流电，同时由于装置内部复杂、测试精度高，因此要求其电源必须体积小、稳定性高，显然基于TOPSwitch-GX 芯片的多路输出开关电源符合其要求。下面以电能质量监测装置的电源设计为例，详细讨论基于TOPSwitch-GX 芯片的多路输出开关电源的设计过程。
1 TOPSwitch-GX 芯片介绍
TOPSwitch-GX 系列是单片开关电源第四代产品, 它将高压功率MOSFET、PWM 控制、过电流保护、过热保护、关断/ 自动重启动电路和其它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[2] 。其外围电路接法非常简单，漏极（D）引脚是内部高压MOSFET 的漏极输出，通过内部的开关高压电流源提供偏置电流；源极（S）引脚作为初级控制电路的公共点接电源的初级地；控制极（C）引脚是误差放大器及反馈电流的输入脚，用于占空比调节，与内部并联调整器相连接， 提供正常工作时的内部偏置电流，也是电源旁路和自动重启/ 补偿电容的连接点； 电压检测（L）引脚是欠压过压保护端，通常接R=2MΩ 的电阻，电压阀值为欠压100V、过压450V，仅当直流输入电压达到100V 时，电源才能启动，当受到冲击高压450V 时，可以使芯片关断；外部限流（X） 引脚为外部限流调节、远程开关控制和同步的输入引脚，若连接到S 引脚则禁止此引脚所有功能；频率（F）引脚如果连接S 引脚，则开关频率为132kHz，如果连接到控制引脚C，则工作在半频方式，开关频率为66kHz。
基于TOPSwitch 芯片的反激式开关电源的结构如图一。交流输入经整流和电容滤波后的直流电压供给TOPSwitch 芯片，它将输入的直流高压变成脉宽可调的
图一 基于TOPSwitch-GX 芯片的反激式开关电源结构图
图二 电源原理图004
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高频脉冲电压，当内部功率MOSFET 导通时，将电能储存在高频变压器的初级线圈，仅当其关闭时，才向次级输送电能，开关频率高达132KHz，使得高频变压器能够快速存储、释放能量，再经次级高频整流滤波后即可输出连续直流电压，反馈回路通过改变控制引脚电流的大小，能连续调节脉冲占空比，从而调节输出电压的大小。
2 电路设计
本设计采用PI 公司的单片电源设计软件PI Expert，极大地较少了工作量，缩短了设计时间，同时该软件是一种交互式电源设计软件，具有直观的图形界面，可实现多种优化设计。
在PI Expert 软件中，只需要输入产品系列、开关频率、反馈类型、交流/ 直流输入类型、和数值、频率、直流输出电压、电流的数值等参数就可以得到开关电源的原理图。按照技术要求, 本文设计电源的具体参数：交流输入电压范围为85 ～ 265V, 输出功率为46.6W, 输出电压包括四路，分别为：第一路输出+12V 电压，输出电流为1.5A ；第二路输出-12V， 输出电流为1A ；第三路输出+5V，输出电流为2A ；第四路输出+3.3V，输出电流为2A，四路输出共地。由于软件的设计结果并不一定能满足用户的所有要求（如输出电压精度），因此可以在软件设计结果的基础上进行修正设计，这样可以提高电源的成功率和准确性。最终设计结果如下图二。
为了分析此开关电源的设计结构与原理，把电路原理图分为以下五个部分加以分析：输入整流滤波电路、箝位保护电路、高频变压器、反馈控制电路、次级输出电路。
2.1 输入整流滤波电路
输入整流滤波电路包括输入交流滤波、整流、电容稳压等部分。电容C1 和电感L1 构成一个低成本的电磁干扰滤波器，置于开关电源和电网相连的前端，主要滤除交流输入端的共模干扰和差模干扰，其中C1 为去除差模干扰的X 电容， L1 为共模电感，采取双线并绕在同一磁芯上，是为了去除共模干扰。整流电路的导通时间尽可能短，满足电流阈值，本文选择额定电压为600V、额定电流为2A 的整流桥2KBP06M。C2 为输入滤波电容，其容量与电源效率、输出功率有关，同时也决定着直流高压的数值。
2.2 箝位保护电路
每个开关周期内，开关管的导通和关断将导致变压器漏感产生尖峰电压，很容易损坏MOSFET。这个问题可以由漏极箝位电路解决。漏极箝位电路由阻塞二极管FR106、电容C3 和电阻R1、R2 构成，可以将启动和过载情况下的峰值漏电压限制在TOP246Y 的MOSFET 额定值700V 以下，从而保证元器件不受损坏。
2.3 高频变压器设计
高频变压器是开关电源设计的关键， 它在开关电源中起到传输能量、电压变换、电器隔离的作用。高频变压器的设计参数会对开关电源的整体性能和可靠性产生很大的影响，其内容主要包括选择磁芯材料的尺寸和形状；计算原副边的匝数和匝比；选择合适线径的漆包线；计算气隙的大小；计算变压器的效率；以及选择合适的骨架等，当设计的开关电源为多路输出，且输出电压准确度要求较高时，高频变压器的设计参数很难同时满足多路输出负载的要求，这样人工设计时计算量很大、效率低而且不易成功，因此本设计选择使用PI Expert 上高频变压器的设计结果，同时也根据电源输出要求进行了一些修改。这样不仅节约了设计时间也能保障设计的成功率。
软件设计的高频变压器参数为：铁氧体材料，EE35 型的磁芯，有效截面积Ae 为101.40 mm2，气隙长度为0.584mm，初级漏感为8.14uH，设计结果中变压器具体结构如图三。
a. 初级绕组第1 部分磁线绕制19 匝（x 2 线），线规为#27AWG，其以3 端作为起点，顺时针绕制，止于2 端。
b. 初级绕组第2 部分磁线绕制19 匝（x 2 线），线规为#27AWG，其以2 端作为起点，顺时针绕制，止于1 端。
c. 偏置绕组磁线绕制7 匝（x 2 线），线规为#25AWG，其以5 端作为起点，顺时针绕制，止于4 端。
d. 次级+12 Ｖ三层绝缘线绕制3 匝（x 2 线），线规为#26AWG，以8 作为起点，顺时针绕制，止于12、13 端。
e. 次级+5 Ｖ三层绝缘线绕制1 匝（x 4 线），线规为#25AWG，以12、13 作为起点，顺时针绕制，止于9、10 端。
图三 高频变压器结构图
图四 电源输出电压005
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f. 次级+3.3 Ｖ铜箔片绕制2 匝，厚5 mil，宽
g. 次级-12 Ｖ三层绝缘线绕制6 匝（x 1 线），线规为#25AWG，以11 作为起点， 顺时针绕制，止于14 端。
初级和次级绕组都采用多股并绕，减少高频趋肤效应，这有利于降低扼流圈及导线的温度从而提高变压器的效率。同时采用先绕原边、再绕副边、再绕原边的三明治绕法，增强了原副边的耦合程度，减小了变压器漏感，可以减小开关管上的尖峰电压。同时对于±12V 两路输出，为了保证三端稳压芯片的输入输出压差要求， 可分别线圈匝数增加1 ～ 2 匝。
2.4 次级输出电路
输出整流滤波电路由整流二极管, 滤波电容和二级稳压电路构成。整流二极管D3、D4、D5、D6 分别对次级进行整流， 它们具有开关特性好、反向恢复时间短的特点。与整流二极管并联的电容和电阻构成次级整流电路的缓冲电路，可以限制输出二极管上的瞬态尖峰电压，防止其损坏。后级LC 滤波器可以减少输出纹波电压，滤波电感选用被称为“磁珠”的3.3uH 穿心电感，可以滤除整流二极管在反向恢复过程中产生的噪声。
根据PI Expert 软件的设计结果，四路输出中除了主输出外其他三路的输出精度都不高，因此在PI Expert 软件设计结果的基础上对输出电路进行了改进，首先在反馈调节电路增加辅助反馈从而控制+3.3V 和+5V 输出电压的稳定，反馈信号由这两路输出同时提供，因此可以保证两路输出的稳定性。对于±12V 输出的稳压，可以在输出末端采用线性三端稳压器LM7812 和LM7912 提高输出的稳压精度。线性三端稳压器只有在输入电压高于所要输出的电压值时才能得到稳定的电压值，因此就要求高频变压器的±12V 输出要考虑裕量，实际缠绕匝数比软件设计结果多绕出1 ～ 2 匝数，保证三端稳压器的输入与输出端之间有一定的压差。
2.5 反馈控制电路
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精密基准源TL431 的光耦反馈电路，其中以带精密基准源TL431 的光耦反馈电路应用最广。反馈回路的形式依据输出电压精度而决定， 本设计中为了提高输出电压精度，选择带精密基准源TL431 的光耦反馈电路。
在PI Expert 软件的设计结果中， +3.3V 输出为主输出电压，电压反馈信号经R13=19.6KΩ 和R14=11.8KΩ 的电阻分压后引人TLV431 的参考端，转化为电流反馈信号，然后经过光耦隔离后输人TOPSwitch 芯片的控制端，通过调节占空比来调节输出电压。当输出电压Uo发生波动时，经电阻R13、R14 分压后得到的取样电压就与TLIV431 中的1.24V 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产生相应变化，再通过光耦去改变控制端电流的大小，进而调节TOPSwitch 的输出占空比，使输出电压基本不变，从而达到稳压目的。在此基础上我们在﹢5V 输出中增加辅助反馈设计为双路控制，即给辅助增加反馈电路。+5V 输出的反馈量由R15 的阻值来决定。我们设定反馈比例系数K=50%，即+5V 输出和+3.3V 输出的反馈量相等，均占总反馈量的一半，此时通过电阻R15 和R13 上的电流应相等，TLV431 的基准端电压为1.24V。改进前，全部反馈电流通过R13，因此。改进后，有50% 的电流从R15 上通过， 即。R15 的阻值由下式确定，将、、带入， 得，可取标称阻值。由于 已降至，因此。
根据TLV431 的工作原理，分压电阻的选取要求比较严格，精度要求高，一般选择1% 的精度。同时我们也可以把R13 或R15 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。R12 起限流的作用，C20 是频率补偿环节，有助于改善TLV431 的特性；R11 用来限制输入光耦电流的大小和反馈增益的大小。
3 测试结果
该开关电源在交流220V 输入、负载率80% 下测得四路输出电压如图四，分别为+11.8V、-11.7V、+4.94V 和+3.27V，输出电压精度均在3% 以内，同时测得其电源负载调整率在2% 以内，符合电能质量监测装置的供电要求。
4 结论
TOPSwitch-GX 系列开关电源具有成本低、结构简单、集成度高、效率高、可靠性强等优点，极大地简化了开关电源的设计，缩短了开发周期。本文设计了一种基于TOP246Y 芯片的多路输出开关电源并给出了先利用软件设计再进行人工修正设计的设计方法。文中将开关电源的结构分为五部分对其工作原理进行了详细阐述，提出了将开关电源和线性三端稳压器相结合以及增加辅助反馈的多路输出稳压方法。本文设计的开关电源已在电能质量监测装置上使用，并取得了良好效果。
【参考文献】
[1] 沙占友。单片开关电源计算机辅助设计软件与应用[M]. 北京：机械工业出版社，2007。
[2] 沙占友等。单片开关电源最新应用技术[M]。北京：机械工业出版社， 2005。
[3] 张占松，蔡宣三。开关电源的原理与设计[M]。北京：电子工业出版社， 2004。
[4] 张文勇，杨金明，王孝洪，刘文刚， 李春娇。基于DPA425-Switch 的多路输出开关稳压电源[J]。电源世界， 2007，(2) ：44-46。006