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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(xiàn)PWM開(kāi)關(guān)；正激變換器；高頻變壓器設(shè)計(jì)
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(xiàn)PWM開(kāi)關(guān)（Three?terminalofflinePWMSwitch）的縮寫(xiě)。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（SwitchModePowerSupply）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。
1TOPSwitch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Vmax=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NS=NP，Dmax<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)NS，D1，E續(xù)流（泄放）。此時(shí)，TOPSwitch承受的最大電壓為
VDSmax≥2E=2Vmax=742V（1）
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。
2TOPSwitch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NS=2NP。
TOPSwitch關(guān)斷時(shí)的等效電路如圖2所示。
若NS與NP是緊耦合，則，即
VNP=1/2VNS=1/2E（2）
VDSmax=VNP＋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
VNPon(Dmax/T)=VNPoff[(1-Dmax)/T]（4）
式中：VNPon為T(mén)OPSwitch開(kāi)通時(shí)變壓器初級(jí)電壓，VNPon=E；
VNPoff為T(mén)OPSwitch關(guān)斷時(shí)變壓器初級(jí)電壓，VNPoff=（1/2）E。
解式（4）得
Dmax=1/3（5）
為保險(xiǎn)，取Dmax≤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(mǎn)足A·s平衡，初級(jí)繞組最大勵(lì)磁電流為
im(t)|t=DmaxT=Ism=DmaxT=(E/Lm)DmaxT（6）
式中：Lm為初級(jí)繞組勵(lì)磁電感。
當(dāng)im(t)=Ism時(shí)，B=Bmax，H=Hmax，則去磁電流最大值為
Ism==(Hmaxlc/Ns)=1/2Ipm(7)
式中：lc為磁路長(zhǎng)度；
Ipm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
下面討論當(dāng)NP=NS，Dmax=0.5與NP=NS，Dmax=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Hmax或Bmax相等，即兩種情況下勵(lì)磁繞組的安匝數(shù)相等，則有
Im1NP1=Im2NP2（10）
式中：NP1為Dmax=0.5時(shí)的勵(lì)磁繞組匝數(shù)；
NP2為Dmax=0.3時(shí)的勵(lì)磁繞組匝數(shù)；
設(shè)Lm1及Lm2分別為Dmax=0.5和Dmax=0.3時(shí)的初級(jí)繞組勵(lì)磁電感，則有
Im1=E/Lm1×0.5T為Dmax=0.5時(shí)的初級(jí)勵(lì)磁電流；
Im2=E/Lm2×0.3T為Dmax=0.3時(shí)的初級(jí)勵(lì)磁電流。
由式（10）及Lm1，Lm2分別與NP12，NP22成正比，可得兩種情況下的勵(lì)磁繞組匝數(shù)之比為
(NP1)/(NP2)=0.5/0.3
及(Im1)/(Im2)=(Np2)/(Np1)=0.3/0.5(12)
當(dāng)NS1=NP1時(shí)和NS2=2NP2時(shí)去磁電流最大值分別為
Ism1=Im1=Im（13）
Ism2=Im2=(0.5/0.6)Im（14）
將式（10）～（14）有關(guān)參數(shù)代入式（8）～（9）可得到，當(dāng)Dmax=0.5時(shí)和Dmax=0.3時(shí)的去磁電流平均值及與有效值Is1及Is2分別為
Is1=1/4ImImIs1=0.408Im（Dmax=0.5）
Is2≈0.29ImIs2=0.483Im（Dmax=0.3）
從計(jì)算結(jié)果可知，采用NS=2NP設(shè)計(jì)的去磁繞組的電流平均值或有效值要大于NS=NP設(shè)計(jì)的去磁繞組的電流值。因此，在選擇去磁繞組的線(xiàn)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Vo=15V，Io=1.5A的要求，以及高頻變壓器考慮6％的余量，則輸出功率Po=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Ae=0.42cm2。
3.2工作磁感應(yīng)強(qiáng)度ΔB的選擇
ΔB=0.5BS，BS為磁芯的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，由于鐵氧體的BS為0.2～0.3T，取ΔB=0.15T。
3.3初級(jí)繞組匝數(shù)NP的選取
選開(kāi)關(guān)頻率f=100kH
z（T=10μs），按交流輸入電壓為最低值85V，Emin≈1.4×85V，Dmax=0.3計(jì)算則
取NP=53匝。
3.4去磁繞組匝數(shù)NS的選取
取NS=2NP=106匝。
3.5次級(jí)匝數(shù)NT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(xiàn)路壓降為7％，則空載輸出電壓VO0≈16V。
取NT=24匝。
3.6偏置繞組匝數(shù)NB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/NB，得NB=13.5,取NB=14匝。
3.7TOPSwitch電流額定值ICN的選取
平均輸入功率Pi==28.12W（假定η=0.8），在Dmax時(shí)的輸入功率應(yīng)為平均輸入功率，因此Pi=DmaxEminIC=0.3×85×1.4×IC=28.12，則IC=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ICN>1.7A。所以，我們選擇ILIMIT=2A的TOP225Y。
4實(shí)驗(yàn)指標(biāo)及主要波形
輸入AC220V，頻率50Hz，輸出DCVo=15(1±1％)V，IO=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VDS波形，2是輸入直流電壓E波形，由圖可知VDS=1.5E；圖4中的1是開(kāi)關(guān)管漏源電壓VDS波形，2是去磁繞組電流is波形，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析是完全吻合的。
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。
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