小功率反激拓撲的仿真方法研究

今天給大家分享的是小功率反激拓撲的仿真分析方法。

作為一名硬件工程師，日常的原理設(shè)計，PCB layout，硬件調(diào)試等必不可少。不過現(xiàn)在市面上的電路仿真軟件也越來越多樣化，諸如Multisim，saber，Pspice，LTSpice，Proteus等等，這為前期電路方案的設(shè)計提供驗證，同時節(jié)省了不少時間。

本文給大家推薦ADI公司的LTSpice軟件，該軟件支持模擬信號和數(shù)字信號的仿真，非常適合電源拓撲的仿真分析。

反激拓撲是由Buck-Boost拓撲演變而來，通過變壓器實現(xiàn)初次級隔離，這里原理就不闡述了。

我們通過LTSpice搭建反激拓撲仿真電路，如下圖。

1.TNY280芯片介紹

電源控制芯片采用PI公司的TNY280，內(nèi)置700V功率MOS管，擁有可調(diào)限流、振蕩器、高壓開關(guān)電流源以及熱保護關(guān)斷等功能。TNY280采用開/關(guān)控制方式，無需環(huán)路補償，具有設(shè)計靈活，成本低，功率輸出范圍大等特點。

TNY280通過BP/M引腳電容值可選擇不同的電流限流點，電流限流點越高，峰值功率越高，同時連續(xù)輸出功率也越高;電流限流點低，可以提高系統(tǒng)的效率。

該芯片導通時間延長，可以在更低輸入電壓下維持輸出的穩(wěn)定/維持時間, 能夠使用更低容量的輸入電解電容，同時降低了最大過載功率，從而降低變壓器、初級箝位及次級元件的成本。 TNY280具有頻率抖動的功能，在輕載和重載情況下，靈活調(diào)整開關(guān)頻率，在優(yōu)化系統(tǒng)效率的同時，降低了EMI。 TNY280可選擇使用Zener實現(xiàn)輸出過壓關(guān)斷，可選擇使用一個電阻來設(shè)置輸入欠壓保護閾值，此外高帶寬提供快速的無過沖啟動及出色的瞬態(tài)負載響應。

2.原理設(shè)計分析

現(xiàn)在闡述一下各部分電路的設(shè)計：

1.變壓器設(shè)計：變壓器原邊繞組電感量設(shè)置為350uH，次級電感量設(shè)置為16uH，漏感系數(shù)設(shè)置為0.98，基于Ae*Bm=n*Lp*Ip，選用EF20磁芯和骨架，Ae,Bm,n一定時，初級電感量較小時，原邊峰值電流就較大，當TNY280限流點合理設(shè)置時，變壓器不容易飽和。但初

級繞組感量不能很小，否則變壓器理論輸出功率會變小，帶載能力差。

2.漏感吸收電路：一般分為RCD吸收和TVS吸收，兩者的特點在于：RCD吸收電路將漏感能量通過RC的充放電形式進行消耗，EMI性能較好，但是效率較低;TVS吸收電路將漏感能量轉(zhuǎn)換成熱能的形式進行消耗，效率高，但是EMI性能較差。本次采用RCD吸收電路，其中R3和R5取值為100kΩ，C2取值1nF，D1和D2選用US1M(考慮極限電壓應力需要2個US1M串聯(lián))。

3.IC芯片外圍電路：TNY280 EN腳接光耦的輸出引腳，作為控制內(nèi)部PWM通斷的控制信號。BP腳為限流點設(shè)置管腳(典型值5.85V，最大值6.15V)，C1電容值設(shè)置為0.01uF(數(shù)據(jù)手冊中0.1uF對應限流點為750mA,1uF對應限流點為650mA,0.1uF對應限流點為

850mA)。BP腳影響啟動時間，仿真中需要縮短啟動時間，否則仿真會出現(xiàn)卡頓不收斂現(xiàn)象。此外，增加R10 1000K上拉增加可靠性，通過6.2V穩(wěn)壓管D4 鉗位保護。由于TNY280內(nèi)置700V MOS管，考慮變壓器漏感和反射電壓等因素，需要外置MOS管Q1進行分壓，減少TNY280的電壓應力，提高系統(tǒng)的可靠性。采用的外置MOS管型號為STP8NM60(650V/8A)，R6~R9取值為510K，為MOS管提供柵極電流，ZMY15穩(wěn)壓管U5為柵源極電壓鉗位，該電路能夠使外置MOS管與TNY280同步開通和關(guān)斷。U4和U6為TVS，為TNY280漏源極進行電壓鉗位，R13為TVS限流電阻，提高TVS使用壽命。U7為磁珠，改善原邊電流尖峰，減小對外的EMI。

4.TL431反饋設(shè)計：TL431內(nèi)部基準電壓為2.5V，本次設(shè)計需要滿足12V±5%的精度，故上下分壓電阻R2和R12分別設(shè)置為12K和3K，理論輸出電壓值為12.5V。TL431的環(huán)路補償參數(shù)R4和C4設(shè)置為1K和10nF。光耦U2作為初次極的隔離。--TL431電路案例詳解+工作原理+功能引腳圖

5.次級輸出設(shè)計：半波整流二極管D3選用MUR460(600V/4A)，濾波電路采用Π型的CLC濾波，其中電感L4取值為1uH，假負載R11電阻為750Ω，防止空載狀態(tài)下，輸出電壓值過高。

3.仿真設(shè)計參數(shù)性能

電路實現(xiàn)的具體參數(shù)性能如下：

1.輸入電壓：100-500VDC(寬電壓范圍)

2.輸出電壓：12V±0.5%(輸出精度高)

3.輸出平均電流：1A(帶載能力)

4.輸出峰值電流：1.5A(負載突變瞬態(tài)響應)

5.開關(guān)頻率：50kHz-200kHz

6.效率：70%左右(峰值效率80%)

7.滿足相關(guān)EMI標準要求

4.仿真結(jié)果

4.1基本電氣參數(shù)

輸入 電壓	參數(shù) 指標	常態(tài)負載 500mA	重載 1A
500VDC	輸出電壓/電流	輸出電壓：12.3V~12.6V，輸出電流：520mA	輸出電壓：12.3V~12.5V，輸出電流：1.02A~1.05A
	漏源極電壓	峰值電壓680V	峰值電壓740V
	原邊電流	原邊電流：0.88A，峰值電流：0.88A	原邊電流：0.95A，峰值電流：1.22A ? ? ? ? ? ? ? ? ?
	開關(guān)頻率和占空比	開關(guān)頻率：130.617KHz，開關(guān)周期：7.656s，導通時間：545.6ns，占空比7.13%	開關(guān)頻率：129.426KHz，開關(guān)周期：7.726s，導通時間：613ns，占空比7.93%
100VDC	輸出電壓/電流	輸出電壓：12.4V~12.6V，輸出電流：520mA	輸出電壓：11.8V~12.0V，輸出電流：0.98A~1.00A ? ? ? ? ? ? ? ? ?
	漏源極電壓	峰值電壓308V	峰值電壓 340V
	原邊電流	原邊電流：0.74A，峰值電流：0.74A	原邊電流：0.8A，峰值電流：0.8A ? ? ? ? ? ? ? ? ?
	開關(guān)頻率和占空比	開關(guān)頻率：130.606KHz，開關(guān)周期：7.656us，導通時間：2.645us，占空比34.55%	開關(guān)頻率：134.506KHz，開關(guān)周期：7.43us，導通時間：2.79us，占空比37.55%

4.2負載突變

輸入電壓	負載突變
100VAC	輸出電壓：11.5V~13.6V，突變電流峰值為1.5A
500VAC	輸出電壓：11.6V~13.5V，突變電流峰值為1.5A

4.3效率分析

輸入電壓	效率分析和曲線圖
100VAC
500VAC

4.4 EMI分析

（傳導頻段：150kHz~30MHz，輻射頻段：30MHz~1GHz）

注：輻射頻段30MHz~1GHz電腦CPU算力不足，無法仿真

傳導滿足EN55022標準

輸入電壓	EMI波形分析
100VAC
500VAC

5.總結(jié)

本文使用ADI公司的LTSpice軟件，基于常規(guī)的小功率反激拓撲，進行基本電氣參數(shù)、負載突變、效率、EMI等性能的分析，對于后期的硬件驗證具有較好的指導意義。

總之，LTSpice非常適合電源拓撲的仿真分析，硬件工程師們還是有必要掌握的。

*本文投稿人/作者： 閑云野鶴

審核編輯：湯梓紅