原创 新型TOPSwitch-GX系列电源的PI设计

新型TOPSwitch-GX系列电源的PI设计

电源设计需要考虑有关半导体器件、模拟电路、数字电路、电磁特性、电磁兼容性、热力学等多方面。传统设计方法要靠人工来完成，其步骤繁琐、工作量大、效率低。而电源模块SG3525或UC3842的外围电路又较复杂，电路中某个元器件参数稍不合适。电源就不能稳定工作。为此，本文给出了采用PI Expert电源设计软件对电源模块进行设计基本方法。

1 TOPSwitch—GX系列产品的性能特点



PowerIntegration公司在第三代单片开关电源TOPSwitch—FX基础上推出的第四代单片开关电源TOPSwitch—GX系列芯片。其最大输出功率已扩展到290 W。由于将高压功率MOSFET、PWM控制、故障保护和其它控制电路高性价比地集成在单片CMOS芯片上，再加上其可在启动时消除过冲、降低元件应力的软起动、小EMI频率抖动、欠压保护和过压关断、可编程限流和独有的Ecosmart节能等技术。该芯片可大大简化电路设计，缩短设计周期。与TOPSwitch—FX相比，TOPSwitch—GX系列产品有如下优点：



◇ 输出功率可扩展到290 W；



◇ 新增加了线路检测端(L)和从外部设定极限电流端(X)这两个引脚，用于代替TOP-Switch—FX的多功能端(M)的全部控制功能，使用更加灵活、方便；



◇ 具有更高的占空比，输出功率更大、输入电容更小;



◇ 有分开的线路检测端与电流限制端；



◇ 线路前馈缩小了最大占空比，以抑制脉动纹波，并在电网电压较高时起限制作用；



◇ 工作频率提高到132 kHz，减少了变压器和电源的尺寸；



◇ 当开关电源的负载很轻时，能自动将开关频率从132 kHz降低到30 kHz(半频模式下则由66 kHz降至15 kHz)，这样，可降低开关损耗，进一步提高电源效率；



◇ 采用先进的节能技术，功耗低，在110VAC时为80 mW，在230VAC时为160 mW。

2 基于TOPSwitch—GX的多路输出设计



PI Expert电源设计软件是PI公司开发的简单易用、节省时间的创新设计工具。它是一种交互式软件，可以针对相关的硬件芯片、按照使用者提出的电源规范产生具体能量转换方案。PI Ex-pert提供一种直观的、一步一步的设计界面，让使用者分别设定变压器、输入电容参数和所用的PI芯片。完整的电路设计还包括输出电容、钳位二极管等参数选择，电源发热量、电路安全性分析也可以在软件设计中加以考虑。利用PI公司的PI Expert软件开发平台，可以方便地设计开关电源电路、选择电路拓扑、芯片系列、芯片封装、工作频率以及其他相关特性参数。该软件根据用户给定的输入参数、输出参数、优化方式、器件系列等相关信息。通过计算可给出器件变量电源部分元件选择、电源输出参数、变压器结构参数和次级参数等信息。

2．1 设计要求及设计步骤



该系统的设计输入电压AC195～265V，频率50Hz。输出电压24V时，最大输出电流2A；输出电压12 V时，最大输出电流有3 A和1 A两种；输出电压8V时，最大输出电流2A。同时要求输入与输出隔离。并能实现输入欠压和过压保护、可外部设定极限电流等功能。



该系统的设计步骤如下：



(1)打开PI Expert设计软件，新建一个设计文件，从FILE／NEW进入设计文件名的设置，输入设计名“多路输出电源模块”，选择区域后点击OK进入输入输出设置，操作后的界面如图1。

(2)在输入窗口选择芯片频率和封装，根据所需功率容量选择频率为TOPGX130 kHz。采用Y封装方便安装，有助于散热。输入根据实际选择AC195～265，优化方式为最低成本Cost，此时右侧即出现了设计所需电路图，如图2所示。

(3)输出设置。根据实际在输出窗口添加输出电24 V；最大输出电流2 A；输出电压12 V，最大输出电流3 A；输出电压12 V，最大输出电流1 A；输出电压8 V，最大输出电流2A。添加后的界面视图如图3所示。

(4)设计结果输出。运行菜单Navigate／AutoDesign后即可输出设计结果。

2．2 高频变压器的选择



变压器设计也可以通过软件来实现。本方案采用了PI Expert软件。计算相当简单，仅需输入相关设计参数，软件就会输出所需的变压器设计参数。初级线圈电感量Lp=382μH；初级匝数Np=32；初级线径AWG20(O．813 mm)三股并绕；反馈绕组匝数NB=3．0；磁芯采用E135，选用铁氧体磁性材料。制作相关参数；气隙Lc=0．30 mm；初级漏感LL=2．9μH；次级24 V／2 A组匝数为6匝，AWG22(O．643 mm)3股并绕；次级12 V／3 A组匝数为3匝，AWG24(0．51 mm)4股并绕；次级12 V／1 A组匝数为3匝，AWG24(0．51 mm)；8 V／2 A组AWG22(0．643 mm)2股并绕。软件给出的参数都是经过一定优化的。实际设计中可优先选用推荐参数，实践证明，这样做是合理。

2．3 变压器的绕制



PI—Expert软件推荐变压器采用堆叠式的绕制方法。其优点就是能加强磁耦合、改善轻载时的稳压性能、骨架上的引脚较少、并且制造成本较低。绕制过程中，初级绕组在最里层，有利于减少初级绕组的分布电容，降低初级绕组对相邻元件的干扰；12V／3A绕组紧挨初级绕组，其次由里向外分别为反馈绕组、24 V／2 A、8V／2 A、12V／1A用于减少漏感：反馈绕组在主电源的外边，反馈绕组与次级绕组耦合最强。对电压的变化敏感，有利于提高稳压效果。各绕组层之间的绝缘使用聚脂薄膜隔离，保证了较好的绝缘强度。同时，为了降低磁辐射、减小温升及便于安装，在初级与次级线圈之间以及其外圈都用铜片隔离，且缝隙处用导热胶灌注。在变压器的设计和制作过程中，必须对磁芯与线圈的结构、绕制方法、散热、效率等周密考虑。

2．4 电路工作原理



输入交流195～265 V电压接入交流电源进线端的LC，专门用于滤除电网线之间的串模干扰和共模干扰。交流电压经全桥整流后。再通过滤波电容变成较平滑的直流电压：与变压器原边并联的吸收电路采用钳位电压为200 V的P6KE200型瞬态电压；VD选用BYV26C型超快恢复二极管，其反向耐压为600
V，可构成保护功能完善的VS、VD、R、C型钳位及吸收电路，以便吸收漏感上较大的磁场能量，从而保护MOSFET不受损坏。由高频变压器T1和TOP246Y组成的单端反激电路，可将能量传输到二次侧；输出整流二极管采用共阴极肖特基对管．输出滤波电路由L和C并联构成；线性光耦合器PC817和可调式三端精密稳压器TLA31组成精密光耦反馈电路；输出电压Uo通过电阻分压器获得取样电压，并与TLA31中的2．5 V基准电压进行比较后产生误差电压，再经过光耦隔离放大，可改变TOP246Y的控制端电流Ic，使占空比发生变化，进而调节Uo保持不变；反馈绕组的输出电压经VD、C整流滤波后，给光耦的接收端提供偏压。这种设计的优点在于：正常工作时VS的损耗非常小，泄漏磁场能量主要由R分担；抑制器件的关键作用是限制在起动(或过载)情况下的尖峰电压，确保MOSFET的漏极电压低于700 V。

3 实验结果



输入电压为AC230V时，测得如表1所列的结果，电源效率高达90％，负载调整率为±1％；输入电压为AC195～26 5V时，电源效率大于8 5％，满载时纹波均小于100 mV。

4 结束语



TOPSwitch—GX开关电源简单好用、功能齐全、易于设计。它集PWM／MOSFET于一体。具有过压、欠压、过流、过热保护、远程控制等众多优点，并且采用PI—Expert软件辅助，可以在短时间内设计出高性能、低价格、重量轻的开关电源。实验证明，在宽范围输入的情况下．其输出波形稳定，输出纹波小，电源效率高，完全符合电器电源的要求。可广泛应用于DC／DC变换模块等各类小型高效节能型开关电源领域。