單片開關(guān)電源設(shè)計(jì)概述及程序流程圖
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1設(shè)計(jì)概述
自從20世紀(jì)90年代以來，各種單片開關(guān)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(jià)比、最簡外圍電路、最佳性能指標(biāo)等顯著優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為國際上開發(fā)250W以下中、小功率開關(guān)電源、精密開關(guān)電源及電源模塊的優(yōu)選集成電路。
單片開關(guān)電源不僅在整機(jī)電路設(shè)計(jì)、高頻變壓器設(shè)計(jì)、反饋電路、保護(hù)電路和關(guān)鍵元器件的選擇方面有許多獨(dú)到之處，而且特別適合用計(jì)算機(jī)來完成整個(gè)開關(guān)電源的設(shè)計(jì)工作，這已成為國際電源領(lǐng)域的一項(xiàng)新技術(shù)。由美國PI（PowerIntegrations）公司開發(fā)的PIExpert軟件正是采用了這項(xiàng)技術(shù)。但是，該軟件沒有作為商品對外出售，所贈(zèng)送的光盤也對軟件的安裝使用次數(shù)以及運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行了嚴(yán)格限制，軟件的原代碼更列為公司的最高機(jī)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(yīng)于一套專門的軟件，并且只能對現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(xiàng)新技術(shù)能夠在國內(nèi)迅速推廣應(yīng)用，我們在參考PIExpert的基礎(chǔ)上，利用VisualBasic（以下簡稱VB）語言獨(dú)立開發(fā)出通用性很強(qiáng)的KDPExpert專家系統(tǒng)，為開關(guān)電源設(shè)計(jì)人員提供了一套功能強(qiáng)大而又簡便實(shí)用的設(shè)計(jì)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(yù)留出足夠的接口。本講座詳細(xì)闡述利用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)單片開關(guān)電源的新技術(shù)以及KDPExpert軟件的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)方法、界面風(fēng)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(guān)電源的兩種工作模式
單片開關(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)電流波形呈梯形。這表明在連續(xù)模式下，由于儲(chǔ)存在高頻變壓器的能量在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)并未全部釋放掉，因此下一個(gè)開關(guān)周期具有一個(gè)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(huì)導(dǎo)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(guān)電流是從零開始上升到峰值，再降至零的。這就意味著儲(chǔ)存在高頻變壓器中的能量必須在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)完全釋放掉，其開關(guān)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(guān)電源反饋電路的四種基本類型
單片開關(guān)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(jìn)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(diǎn)是電路簡單，成本低廉，適于制作小型化、經(jīng)濟(jì)性開關(guān)電源；其缺點(diǎn)是穩(wěn)壓性能較差，電壓調(diào)整率SV=±1.5％～±2.5％，負(fù)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(jìn)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(dāng)f=130kHz時(shí)，Δf=±4kHz；當(dāng)f=65kHz時(shí)，Δf=±2kHz。
| 參數(shù)名稱 | 符號及單位 | 產(chǎn)品型號 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| TOP227Y | TNY255P/G | TNY256P/G | TNY234P/Y/G | TOP249Y | ||
| 開關(guān)頻率 | f(kHz) | 100 | 130 | 130 | 130/65 | 132/66 |
| 最大占空比 | Dmax(％) | 67 | 67 | 66 | 78 | 78 |
| 最小占空比 | Dmin(％) | 1.7 | 1.5 | |||
| 脈寬調(diào)制增益 | K(％mA) | －16 | －22 | －23 | ||
| 控制端電壓 | UC(V) | 5.7 | 5.8 | 5.8 | ||
| 使能端電壓 | UEN(V) | 1.45 | 1.45 | |||
| 旁路端電壓 | UBP(V) | 5.8 | 5.8 | |||
| 狀態(tài)控制端開啟電壓 | USCI(ON)(V) | |||||
| 自動(dòng)重啟動(dòng)頻率 | fAR(Hz) | 1.2 | 1.0 | 1.0 | ||
| 自動(dòng)重啟動(dòng)占空比 | DAR(％) | 5 | 4 | 4 | ||
| 漏極極限電流 | ILIMIT(A) | 3.00 | 0.280 | 0.500 | 1.500 | 5.40 |
| 漏?源擊穿電壓最小值 | U(BR)DS(V) | 700 | 700 | 700 | 700 | 700 |
| 最大輸出功率（固定輸入） | POM(W) | 150 | 10 | 19 | 75 | 250 |
| 前沿閉鎖時(shí)間 | ILEB(ns) | 180 | 215 | 215 | 200 | 220 |
| 熱關(guān)斷溫度 | TOFF(℃) | 135 | 135 | 135 | 135 | 140 |
| 上電復(fù)位閾值電壓 | UC(RESET)(V) | 3.3 | 3.3 | 3.0 | ||
| 漏?源導(dǎo)通電阻（Tj=25℃） | RDS(ON)(Ω) | 2.6 | 23 | 15.6 | 5.2 | 1.3 |
| 軟啟動(dòng)時(shí)間 | tSOFT(ms) | 10 | 10 | |||
| 線路欠壓閾值電流 | IUV(μA) | 50 | 50 | |||
| 線路過壓閾值電流 | IOV(μA) | 225 | 225 | |||
| 多功能端電壓（IM=50μA） | UM(V) | 2.60 | 2.50 | |||
| 線路檢測端電壓(IL=50μA) | UL(V) | 2.50 | ||||
| 極限電流設(shè)定端電壓（IX=50μA) | UX(V) | 1.33 | ||||
| 開關(guān)頻率選擇端閾值電壓 | UF(V) | 2.9 | 2.9 | |||
| 開關(guān)頻率選擇端輸入電流 | IF(μA) | 22 | 40 | |||
| 遙控開/關(guān)閾值電流 | IREM(μA) | －35 | －27 | |||
| 遙控開啟延遲時(shí)間 | IR(ON)(μs) | 2.5 | 2.5 | |||
| 遙控關(guān)斷延遲時(shí)間 | IR(OFF)(μs) | 2.5 | 2.5 | |||
| 極限電流衰減因數(shù) | KI | 0.4～1.0 | 0.3～1.0 | |||
| 頻率抖動(dòng)調(diào)制速率 | fM(次/s) | 250 | 250 | |||
| 頻率抖動(dòng)偏移量 | Δf(kHz) | ±5 | ±4/±2＊ | ±4/±2 | ||
表1單片開關(guān)電源典型產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo) [!--empirenews.page--]
圖2（b）為改進(jìn)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(fù)載調(diào)整率達(dá)到±2％。VDZ的穩(wěn)定電壓一般為22V，必須相應(yīng)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(dāng)輸出電壓UO發(fā)生波動(dòng)時(shí)，在光耦內(nèi)部的LED上可獲得誤差電壓。因此，該電路相當(dāng)于給TOPSwitch增加一個(gè)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(jìn)行調(diào)整。這種反饋電路能使電壓調(diào)整率達(dá)到±1％以下。
圖2（d）是配TL431的光耦反饋電路，其電路較復(fù)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(gòu)成外部誤差放大器，進(jìn)而對UO作精細(xì)調(diào)整，可使電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率均達(dá)到±0.2％，能與線性穩(wěn)壓電源相媲美。這種反饋電路適于構(gòu)成精密開關(guān)電源。
在設(shè)計(jì)單片開關(guān)電源時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來選擇合適的反饋電路，才能達(dá)到規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)。
4單片開關(guān)電源典型產(chǎn)品的主要技術(shù)指標(biāo)
詳見表1。
5用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)單片開關(guān)電源的程序流程圖
設(shè)計(jì)高性價(jià)比的開關(guān)電源，所涉及的知識面很廣。設(shè)計(jì)人員不僅要掌握各種TOPSwitch系列產(chǎn)品的工作原理和應(yīng)用電路，還必須了解有關(guān)通用及特種半導(dǎo)體器件、模擬與數(shù)字電路、電磁兼容性、熱力學(xué)等方面的知識。按照傳統(tǒng)方法，開關(guān)電源要全部靠人工設(shè)計(jì)，不僅工作量大，效率低，而且因設(shè)計(jì)時(shí)的變量多，難于準(zhǔn)確估算，使得設(shè)計(jì)結(jié)果與實(shí)際情況相差較大，還需多次反復(fù)修正。單片開關(guān)電源的問世，使開關(guān)電源的設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。而利用計(jì)算機(jī)來設(shè)計(jì)開關(guān)電源，還能充分發(fā)揮高科技的優(yōu)勢，極大地減輕設(shè)計(jì)人員的工作量并可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計(jì)。
開關(guān)電源的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shí)用的設(shè)計(jì)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(guān)電源的基本電路
圖4設(shè)計(jì)步驟1－11的程序流程圖
圖5設(shè)計(jì)步驟12－24的程序流程圖 [!--empirenews.page--]
圖6設(shè)計(jì)步驟25－35的程序流程圖
全部計(jì)算過程就是用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。設(shè)計(jì)完畢時(shí)，電子數(shù)據(jù)表格也就自動(dòng)生成了。上述過程可用程序流程圖形象地表示出來。由TOPSwitch構(gòu)成開關(guān)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(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)的全部程序流程圖，詳見圖4－圖6?，F(xiàn)將整個(gè)設(shè)計(jì)過程分成4個(gè)階段，共35個(gè)步驟（詳見下期第二講）：
（1）步驟1－步驟2：確定總體設(shè)計(jì)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(biāo)，又不留出過多余量；
（3）步驟12－步驟24：設(shè)計(jì)高頻變壓器。它應(yīng)符合技術(shù)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(guān)鍵元器件。
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