單片開關電源設計概述及程序流程圖

利用計算機設計單片開關電源講座

第一講

單片開關電源設計概述及程序流程圖

1設計概述

自從20世紀90年代以來，各種單片開關電源集成電路競相問世，現(xiàn)已形成TOPSwitch、TOPSwitch?Ⅱ、TOPSwitch?FX、TOPSwitch?GX、TinySwitch和TinySwitch?II六大系列近百種型號。它們具有高集成度、高性價比、最簡外圍電路、最佳性能指標等顯著優(yōu)點，現(xiàn)已成為國際上開發(fā)250W以下中、小功率開關電源、精密開關電源及電源模塊的優(yōu)選集成電路。

單片開關電源不僅在整機電路設計、高頻變壓器設計、反饋電路、保護電路和關鍵元器件的選擇方面有許多獨到之處，而且特別適合用計算機來完成整個開關電源的設計工作，這已成為國際電源領域的一項新技術。由美國PI（PowerIntegrations）公司開發(fā)的PIExpert軟件正是采用了這項技術。但是，該軟件沒有作為商品對外出售，所贈送的光盤也對軟件的安裝使用次數(shù)以及運行時間進行了嚴格限制，軟件的原代碼更列為公司的最高機密。此外，PIExpert軟件亦存在某些不足之處，突出表現(xiàn)在每種系列產(chǎn)品各對應于一套專門的軟件，并且只能對現(xiàn)有產(chǎn)品進行設計。因此，也給用戶使用帶來一些不便之處。

為解決上述問題，促使這項新技術能夠在國內(nèi)迅速推廣應用，我們在參考PIExpert的基礎上，利用VisualBasic（以下簡稱VB）語言獨立開發(fā)出通用性很強的KDPExpert專家系統(tǒng)，為開關電源設計人員提供了一套功能強大而又簡便實用的設計軟件。該軟件不僅適用于TOPSwitch、TOPSwitch?Ⅱ、TOPSwitch?FX和TOPSwitch?GX系列，還為將來問世的新產(chǎn)品預留出足夠的接口。本講座詳細闡述利用計算機設計單片開關電源的新技術以及KDPExpert軟件的設計思想，設計方法、界面風格和使用指南。為了敘述方便，下面統(tǒng)一用TOPSwitch來表示TOPSwitch、TOPSwitch?Ⅱ、TOPSwitch?FX和TOPSwitch?GX系列。

2單片開關電源的兩種工作模式

單片開關電源有兩種基本工作模式：一種是連續(xù)模式CUM（ContinuousMode），另一種是不連續(xù)模式

圖1兩種模式的開關電流波形

（a）連續(xù)模式（b）不連續(xù)模式

DUM（DiscontinuousMode）。這兩種模式的開關電流波形分別如圖1（a）及圖1（b）所示。由圖可見，在連續(xù)模式下，初級開關電流是從一定幅度開始的，然后上升到峰值，再迅速回零。其開關電流波形呈梯形。這表明在連續(xù)模式下，由于儲存在高頻變壓器的能量在每個開關周期內(nèi)并未全部釋放掉，因此下一個開關周期具有一個初始能量。采用連續(xù)模式可減小初級峰值電流IP和有效值電流IRMS，降低芯片的功耗。但連續(xù)模式要求增大初級電感量LP，這會導致高頻變壓器的體積增大。綜上所述，連續(xù)模式適用于功率較小的TOPSwitch和尺寸較大的高頻變壓器。

不連續(xù)模式的開關電流是從零開始上升到峰值，再降至零的。這就意味著儲存在高頻變壓器中的能量必須在每個開關周期內(nèi)完全釋放掉，其開關電流波形呈三角形。不連續(xù)模式下的IP、IRMS值較大，但所需要的LP較小。因此，它適合于采用輸出功率較大的TOPSwitch，配尺寸較小的高頻變壓器。

3單片開關電源反饋電路的四種基本類型

單片開關電源的電路可以千變?nèi)f化，但其反饋電路只有四種基本類型：

（1）基本反饋電路；

（2）改進型基本反饋電路；

（3）配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路；

（4）配TL431的光耦反饋電路。

它們的簡化電路如圖2所示。

圖2（a）為基本反饋電路，其優(yōu)點是電路簡單，成本低廉，適于制作小型化、經(jīng)濟性開關電源；其缺點是穩(wěn)壓性能較差，電壓調(diào)整率SV=±1.5％～±2.5％，負載調(diào)整率SI≈±5％。

圖2反饋電路的四種基本類型

（a）基本反饋電路（b）改進型基本反饋電路（c)配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路(d)配TL431的光耦反饋電路

＊當f=130kHz時，Δf=±4kHz；當f=65kHz時，Δf=±2kHz。

表1單片開關電源典型產(chǎn)品的技術指標

圖2（b）為改進型基本反饋電路，只需增加一只穩(wěn)壓管VDZ和電阻R1，即可使負載調(diào)整率達到±2％。VDZ的穩(wěn)定電壓一般為22V，必須相應增加反饋繞組的匝數(shù)，以獲得較高的反饋電壓UFB，滿足電路的需要。

圖2（c）是配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路。由VDZ提供參考電壓UZ，當輸出電壓UO發(fā)生波動時，在光耦內(nèi)部的LED上可獲得誤差電壓。因此，該電路相當于給TOPSwitch增加一個外部誤差放大器，再與內(nèi)部誤差放大器配合使用，即可對UO進行調(diào)整。這種反饋電路能使電壓調(diào)整率達到±1％以下。

圖2（d）是配TL431的光耦反饋電路，其電路較復雜，但穩(wěn)壓性能最佳。這里用TL431型可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器來代替普通的穩(wěn)壓管，構成外部誤差放大器，進而對UO作精細調(diào)整，可使電壓調(diào)整率和負載調(diào)整率均達到±0.2％，能與線性穩(wěn)壓電源相媲美。這種反饋電路適于構成精密開關電源。

在設計單片開關電源時，應根據(jù)實際情況來選擇合適的反饋電路，才能達到規(guī)定的技術指標。

4單片開關電源典型產(chǎn)品的主要技術指標

詳見表1。

5用計算機設計單片開關電源的程序流程圖

設計高性價比的開關電源，所涉及的知識面很廣。設計人員不僅要掌握各種TOPSwitch系列產(chǎn)品的工作原理和應用電路，還必須了解有關通用及特種半導體器件、模擬與數(shù)字電路、電磁兼容性、熱力學等方面的知識。按照傳統(tǒng)方法，開關電源要全部靠人工設計，不僅工作量大，效率低，而且因設計時的變量多，難于準確估算，使得設計結(jié)果與實際情況相差較大，還需多次反復修正。單片開關電源的問世，使開關電源的設計能實現(xiàn)標準化和規(guī)范化。而利用計算機來設計開關電源，還能充分發(fā)揮高科技的優(yōu)勢，極大地減輕設計人員的工作量并可實現(xiàn)最優(yōu)化設計。

開關電源的優(yōu)化設計是由三部分組成的：

（1）一組完整的程序流程圖；

（2）一套簡單實用的設計程序；

（3）一套正確的“電子數(shù)據(jù)表格”。表中的信息包括輸入數(shù)據(jù)（已知條件）、中間變量和最終結(jié)果。

圖3開關電源的基本電路

圖4設計步驟1－11的程序流程圖

圖5設計步驟12－24的程序流程圖

　圖6設計步驟25－35的程序流程圖

全部計算過程就是用計算機進行數(shù)據(jù)處理。設計完畢時，電子數(shù)據(jù)表格也就自動生成了。上述過程可用程序流程圖形象地表示出來。由TOPSwitch構成開關電源的基本電路如圖3所示。下面就以該電路為例，介紹用計算機設計開關電源時的全部程序流程圖，詳見圖4－圖6?，F(xiàn)將整個設計過程分成4個階段，共35個步驟（詳見下期第二講）：

（1）步驟1－步驟2：確定總體設計方案，選擇反饋電路類型；

（2）步驟3－步驟11：選擇TOPSwitch芯片。為降低成本，要求芯片既能滿足輸出功率的指標，又不留出過多余量；

（3）步驟12－步驟24：設計高頻變壓器。它應符合技術要求且外形尺寸為最??；

（4）步驟25－步驟35：選擇外圍電路中的關鍵元器件。