- 易迪拓培训,专注于微波、射频、天线设计工程师的培养
基于TOPSwitch及PI Expert的单端反激式开关电源设计
录入：edatop.com 点击：
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T0P-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)，2l-25AWG（5V）。
另外，在此基础上还可以用PI公司提供的PI Transformer 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30V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l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。
4.2 负载试验
在AC l00V输入情况下，给所有输出带上额定负载。通过长时间考核实验后，各路电源输出稳定、输出电压值满足设计要求。其中两路的输出电压波形如图4所示。
轻载时电源工作在断续模式，断续模式时输出电压对负载变化比较敏感；满载时电源工作在连续模式，连续模式时负载波动对输出电压的影响较小。断续和连续时TOPSwitch管漏源电压波形如图5所示。
另外，还选择了其中的5V/lA和15V/100mA两路进行了 200％过载试验。过载这两路输出电压比设计值下降约lV，输出电压纹波明显增大，TOP管发热量增加，变压器发热量增加且有微响，输出滤波电容发烫；额定负载的几路输出电压也下降了约O.5V，其它正常。半小时后，TOPSwitch管过热保护。
4.3 过欠压保护试验
过欠压检测电阻取值为2MΩ，当输入交流整流后的直流电压低于100V时欠压保护动作，高于450V时过压保护动作。无论是过压还是欠压，都将导致TOPSwitch管停止工作，直到过欠压情况消失，系统才能恢复正常工作。
4.4 单点故障试验
为了保证电路的可靠性，对电路中的不同器件和不同关键节点进行了开路、短路试验。针对一路输出的单点测试方案包括以下几项试验：a漏极、控制端开路试验；b控制端外接电容短路、开路试验；c原边绕组短路、开路试验；d副边绕组或输出整流二极管短路、开路试验；e输出滤波电容短路、开路试验。
试验结果如表1所列。其中a至e代表上面提及的试验项目，b（短）表示b项目控制端外接电容短路，b（开）表示b项目控制端外接电容开路，其他依此类推。
5 结语
试验证明本文所设计的单端反激式多路输出开关电源具有良好的工作性能。该电路所用器件少，结构精简，控制方式简单，具有过欠压等保护功能，大大提高了系统的可靠性和电磁兼容能力。采用TOPSwitch系列芯片结合PI Expert软件进行开关电源设计，周期短，成本低，效率高。
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T0P-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)，2l-25AWG（5V）。
另外，在此基础上还可以用PI公司提供的PI Transformer 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30V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l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。
4.2 负载试验
在AC l00V输入情况下，给所有输出带上额定负载。通过长时间考核实验后，各路电源输出稳定、输出电压值满足设计要求。其中两路的输出电压波形如图4所示。
轻载时电源工作在断续模式，断续模式时输出电压对负载变化比较敏感；满载时电源工作在连续模式，连续模式时负载波动对输出电压的影响较小。断续和连续时TOPSwitch管漏源电压波形如图5所示。
另外，还选择了其中的5V/lA和15V/100mA两路进行了 200％过载试验。过载这两路输出电压比设计值下降约lV，输出电压纹波明显增大，TOP管发热量增加，变压器发热量增加且有微响，输出滤波电容发烫；额定负载的几路输出电压也下降了约O.5V，其它正常。半小时后，TOPSwitch管过热保护。
4.3 过欠压保护试验
过欠压检测电阻取值为2MΩ，当输入交流整流后的直流电压低于100V时欠压保护动作，高于450V时过压保护动作。无论是过压还是欠压，都将导致TOPSwitch管停止工作，直到过欠压情况消失，系统才能恢复正常工作。
4.4 单点故障试验
为了保证电路的可靠性，对电路中的不同器件和不同关键节点进行了开路、短路试验。针对一路输出的单点测试方案包括以下几项试验：a漏极、控制端开路试验；b控制端外接电容短路、开路试验；c原边绕组短路、开路试验；d副边绕组或输出整流二极管短路、开路试验；e输出滤波电容短路、开路试验。
试验结果如表1所列。其中a至e代表上面提及的试验项目，b（短）表示b项目控制端外接电容短路，b（开）表示b项目控制端外接电容开路，其他依此类推。
5 结语
试验证明本文所设计的单端反激式多路输出开关电源具有良好的工作性能。该电路所用器件少，结构精简，控制方式简单，具有过欠压等保护功能，大大提高了系统的可靠性和电磁兼容能力。采用TOPSwitch系列芯片结合PI Expert软件进行开关电源设计，周期短，成本低，效率高。
