采用TOPSwitch的單端正激式電源的電路分析與設計??

摘要：介紹了一種用TOPSwitch器件設計的新穎單端正激式電源電路。詳細分析了其電路設計方法，給出了主要參數的計算及實驗波形。

關鍵詞：三端離線PWM開關；正激變換器；高頻變壓器設計

0??? 引言

??? TOPSwitch是美國功率集成公司（PI）于20世紀90年代中期推出的新型高頻開關電源芯片，是三端離線PWM開關（Three-terminal off line PWM Switch）的縮寫。它將開關電源中最重要的兩個部分——PWM控制集成電路和功率開關管MOSFET集成在一塊芯片上，構成PWM/MOSFET合二為一集成芯片，使外部電路簡化，其工作頻率高達100kHz，交流輸入電壓85～265V，AC/DC轉換效率高達90％。對200W以下的開關電源，采用TOPSwitch作為主功率器件與其他電路相比，體積小、重量輕，自我保護功能齊全，從而降低了開關電源設計的復雜性，是一種簡捷的SMPS（Switch Mode Power Supply）設計方案。

??? 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，在現有的參考文獻以及PI公司提供的設計手冊中，所介紹的都是用TOPSwitch制作單端反激式開關電源的設計方法。反激式變換器一般有兩種工作方式：完全能量轉換（電感電流不連續）和不完全能量轉換（電感電流連續）。這兩種工作方式的小信號傳遞函數是截然不同的，動態分析時要做不同的處理。實際上當變換器輸入電壓在一個較大范圍發生變化，和（或者）負載電流在較大范圍內變化時，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換方式下都能穩定工作。但是，要求同一個電路能實現從一種工作方式轉變為另一種工作方式，在設計上是較為困難的。而且，作為單片開關電源的核心部件高頻變壓器的設計，由于反激式變換器中的變壓器兼有儲能、限流、隔離的作用，在設計上要比正激式變換器中的高頻變壓器困難，對于初學者來說很難掌握。筆者采用TOP225Y設計了一種單端正激式開關電源電路，實驗證明該電路是切實可行的。下面介紹其工作原理與設計方法，以供探討。

1??? TOPSwitch系列應用于單端正激變換器中存在的問題

??? TOPSwitch的交流輸入電壓范圍為85～265V，最大電壓應力≤700V，這個耐壓值對于輸入最大直流電壓V_max=265×1.4=371V是足夠的,但應用在一般的單端正激變換器中卻存在問題。

??? 圖1是典型的單端正激變換器電路，設計時通常取N_S=N_P，D_max<0.5（一般取0.4）,按正激變換器工作過程,TOPSwitch關斷期間，變壓器初級的勵磁能量通過N_S，D₁，E續流（泄放）。此時，TOPSwitch承受的最大電壓為

??? V_DSmax≥2E=2V_max=742V（1）

圖1??? 單端正激式變換器電源電路

??? 大于TOPSwitch所能承受的最大電壓應力700V，所以，TOPSwitch不能在一般通用的正激變換器中使用。

2??? TOPSwitch在單端正激變換器中的應用

??? 由式（1）可知，TOPSwitch不能在典型單端正激變換器中應用的關鍵問題，是其在關斷期間所承受的電壓應力超過了允許值，如果能降低關斷期間的電壓應力，使它小于700V，則TOPSwitch仍可在單端正激變換器中應用。

2.1??? 電路結構及工作原理

??? 本文提出的TOPSwitch的單端正激變換器拓撲結構如圖1所示。它與典型的單端正激變換器電路結構完全相同,只是變壓器的去磁繞組的匝數為初級繞組匝數的2倍,即N_S=2N_P。

??? TOPSwitch關斷時的等效電路如圖2所示。

（a）等效電路（b）去磁電流波形

圖2??? TOPSwitch器件關斷時的等效電路及去磁電流的波形

若NS與NP是緊耦合，則，即

??? V_NP=V_NS=E（2）

??? V_DSmax=V_NP＋E=E=1.5×371=556.5V<700V（3）

2.2??? 最大工作占空比分析

??? 按NP繞組每個開關周期正負V·s平衡原理，有

??? V_NPon=V_NPoff（4）

式中：V_NPon為TOPSwitch開通時變壓器初級電壓，V_NPon=E；

V_NPoff為TOPSwitch關斷時變壓器初級電壓，V_NPoff=（1/2）E。

解式（4）得

??? D_max=1/3（5）

為保險，取D_max<=30％

2.3??? 去磁繞組電流分析

??? 改變了去磁繞組與初級繞組的匝比后，變壓器初級繞組仍應該滿足A·s平衡，初級繞組最大勵磁電流為

i_m(t)=I_sm=D_maxT（6）

式中：L_m為初級繞組勵磁電感。

當i_m(i)=I_sm時，B=B_max，H=H_max，則去磁電流最大值為

??? I_sm=I_pm(7)

式中：l_c為磁路長度；

????? I_pm為初級電流的峰值。

??? 根據圖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

??? =dt=（8）

??? I_s==（9）

??? 下面討論當N_P=N_S，D_max=0.5與N_P=N_S，D_max=0.3時的去磁電流的平均值和有效值。設上述兩種情況下的H_max或B_max相等，即兩種情況下勵磁繞組的安匝數相等，則有

??? I_m1N_P1=I_m2N_P2（10）

式中：N_P1為D_max=0.5時的勵磁繞組匝數；

????? N_P2為D_max=0.3時的勵磁繞組匝數；

??? 設L_m1及L_m2分別為D_max=0.5和D_max=0.3時的初級繞組勵磁電感，則有

??? I_m1=×0.5T為D_max=0.5時的初級勵磁電流；

??? I_m2=×0.3T為D_max=0.3時的初級勵磁電流。

由式（10）及L_m1，L_m2分別與N_P12，N_P22成正比，可得兩種情況下的勵磁繞組匝數之比為

??? （11）

及

??? （12）

當N_S1=N_P1時和N_S2=2N_P2時去磁電流最大值分別為

??? I_sm1=Im₁=I_m（13）

??? I_sm2=I_m2=I_m（14）

??? 將式（10）～（14）有關參數代入式（8）～（9）可得到，當D_max=0.5時和D_max=0.3時的去磁電流平均值及與有效值I_s1及I_s2分別為

??? =I_m??? I_s1=0.408I_m??? （D_max=0.5）

??? ≈0.29I_m??? I_s2=0.483I_m??? （D_max=0.3）

從計算結果可知，采用N_S=2N_P設計的去磁繞組的電流平均值或有效值要大于N_S=N_P設計的去磁繞組的電流值。因此，在選擇去磁繞組的線徑時要注意。

3??? 高頻變壓器設計

??? 由于外圍電路元件少,該電源設計的關鍵是高頻變壓器,下面給出其設計方法。

3.1??? 磁芯的選擇

??? 按照輸出V_o=15V，I_o=1.5A的要求，以及高頻變壓器考慮6％的余量，則輸出功率P_o=1.06×15×1.5=23.85W。根據輸出功率選擇磁芯，實際選取能輸出25W功率的磁芯，根據有關設計手冊選用EI25，查表可得該磁芯的有效截面積A_e=0.42cm²。

3.2??? 工作磁感應強度ΔB的選擇

??????? ΔB=0.5B_S，B_S為磁芯的飽和磁感應強度，由于鐵氧體的B_S為0.2～0.3T，取ΔB=0.15T。

3.3??? 初級繞組匝數N_P的選取

??? 選開關頻率f=100kHz（T=10μs），按交流輸入電壓為最低值85V，E_min≈1.4×85V，D_max=0.3

計算則

??? N_P===52.6取N_P=53匝。

3.4??? 去磁繞組匝數N_S的選取

??? 取N_S=2N_P=106匝。

3.5??? 次級匝數N_T的選取

??? 輸出電壓要考慮整流二極管及繞組的壓降，設輸出電流為2A時的線路壓降為7％，則空載輸出電壓V_O0≈16V。

??? N_T===23.8

??? 取N_T=24匝。

3.6??? 偏置繞組匝數N_B的選取

??? 取偏置電壓為9V，根據變壓器次級伏匝數相等的原則，由16/24=9/N_B，得N_B=13.5,取N_B=14匝。

3.7??? TOPSwitch電流額定值I_CN的選取

??? 平均輸入功率P_i==28.12W（假定η=0.8），在D_max時的輸入功率應為平均輸入功率，因此P_i=D_maxE_minI_C=0.3×85×1.4×I_C=28.12，則I_C=0.85A，為了可靠并考慮調整電感量時電流不可避免的失控，實際選擇的TOPSwitch電流額定值至少是兩倍于此值，即I_CN>1.7A。所以，我們選擇I_LIMIT=2A的TOP225Y。

4??? 實驗指標及主要波形

??? 輸入AC 220V，頻率50Hz，輸出DC V_o=15(1±1％)V，I_O=1.5A，工作頻率100kHz，圖3及圖4是實驗中的主要波形。

??? 圖3中的1是開關管漏源電壓V_DS波形，2是輸入直流電壓E波形，由圖可知V_DS=1.5E；圖4中的1是開關管漏源電壓V_DS波形，2是去磁繞組電流i_s波形，實驗結果與理論分析是完全吻合的。

圖3??? 輸入直流電壓E與漏源電壓V_DS波形

圖4??? 漏源電壓與去磁電流i_s波形

5??? 結語

??? TOPSwitch自上世紀90年代中期推出以來，以其外圍元件大大減少，成本低，電源設計簡化及完備的系統故障保護，而倍受低壓、小功率電源設計人員的青睞。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，具有廣泛的應用前景。