1.引言

近年來，開關電源的發(fā)展非常迅速。

相對于線性電源，開關電源有著體積小、重量輕、效率高、抗干擾強、輸出電壓范圍寬和便于模塊化等優(yōu)點。開關電源分為隔離和非隔離兩種形式，而隔離式又有正激和反激兩種拓撲結構。

一般在中小功率電源場合，反激式開關電源往往最具性價比，因此被廣泛應用于家電、工業(yè)控制、通訊、LED照明等領域。但設計一款具有高性價比的開關電源并非易事，需要設計人員具備豐富的理論知識和實踐經(jīng)驗。按照傳統(tǒng)的手工設計方法，開關電源需要計算的參數(shù)變量非常多，工作量較大。為配合用戶進行開關電源的設計，Power Integrations公司推出了PI Expert電源設計軟件，大大地減輕了設計人員的工作量。該軟件簡單易用，靈活方便，是一種高效的開關電源設計工具。

2.反激式開關電源的基本原理

所謂反激式開關電源，是指當變壓器的初級線圈正好被直流電壓激勵時，變壓器的次級線圈沒有向負載提供功率輸出，而僅在變壓器初級線圈的激勵電壓被關斷后才向負載提供功率輸出，這種變壓器開關電源稱為反激式開關電源。反激式開關電源中的變壓器起著儲能元件的作用，可以看作是一對互相耦合的電感。在實際應用中，反激變換器又經(jīng)常被設計成不連續(xù)導通模式(DCM模式)和連續(xù)導通模式(CCM模式)，以便根據(jù)具體的使用情況實現(xiàn)開關電源的最佳性能。

反激式開關電源一般由電源整流濾波電路，開關芯片，高頻變壓器，漏極箝位電路，反饋電路和輸出濾波電路組成。

電源濾波電路一方面消除來自電網(wǎng)的干擾，同時也防止開關電源產(chǎn)生的高頻噪聲向電網(wǎng)擴散。輸入整流電路將電網(wǎng)輸入電壓進行整流濾波，為高頻變壓器提供直流電壓。開關芯片是開關電源的關鍵部分，選擇一款好的開關芯片對開關電源的性能起著重大的作用。變壓器是整個電源的核心，它把直流高電壓變換成低電壓，并且起到將輸出部分與輸入電網(wǎng)隔離的作用。漏極箝位電路的作用是當功率開關管(MOSFET)關斷時，對由高頻變壓器漏感所形成的尖峰電壓進行鉗位和吸收，以防止開關管因過電壓而損壞。反饋電路和輸出濾波電路也是開關電源不可缺少的部分，其設計的好壞直接關系著輸出電壓的穩(wěn)定性和質量。

3.PI Expert的主要功能和特點

PI Expert是一個自動化的圖形用戶界面(GUI)程序，通過接收用戶輸入的電源規(guī)格參數(shù)，自動生成基于PI系列IC設計的電源方案。PI Expert提供了構建和測試工作原型所需的一切信息，其中包括輸入電路、器件選擇、器件特性利用、箝位電路以及反饋電路在內(nèi)的完整示意圖和BOM.

PI Expert還提供完整的磁特性設計，也可生成用于機械裝配的詳細繞制說明。PIExpert的最新版本為V9.0.

運用PI Expert設計開關電源有以下幾個步驟：

第一步：用設計向導新建一個設計。

在向導中我們需要分別選擇開關電源的拓撲結構，開關芯片、開關頻率、外殼、反饋類型、輸入電壓類型，輸出參數(shù)和優(yōu)化參數(shù)。

第二步：選擇主輸出繞組的匝數(shù)范圍和磁芯選擇范圍，之后點擊完成設計便可生成一個初步的開關電源電路圖和設計參數(shù)列表。

第三步：補充參數(shù)。在PI Expert窗口左側的“設計樹試圖”中補充設置一些未設置過的參數(shù)，如主輸出電壓，輸出繞組疊加方式，EMI濾波結構等，設置完畢后點擊“開始優(yōu)化”即可完成。

第四步：手動調整。由于軟件根據(jù)自身的算法計算元器件的值，所以存在非標或不常用的問題，這會給物料采購帶來麻煩，這時候需要在合理的范圍內(nèi)調整器件的值。

設計完成后，PI Expert自動生成電路圖、設計結果表單、電路板布局、材料清單和變壓器構造示意圖，非常方便。

4.設計實例

本文基于PI Expert設計了一款兩路輸出(+5V/250mA，+12V/1A)的反激式開關電源，其輸入電壓為通用寬電壓85~265V.此電源采用PI公司TinySwitch-III系列產(chǎn)品中的TNY280PN作為開關芯片，高頻變壓器使用E E 1 9磁芯，具有輸出過載和短路保護功能。

4.1 電路設計

PI Expert會根據(jù)用戶輸入的規(guī)格參數(shù)自動生成電路原理圖，其中，較為關鍵的參數(shù)有：

(1)輸出疊加方式：因為交流疊加式可提供較佳的交叉穩(wěn)壓和工作效率，故輸出繞組采用交流疊加的方式進行互連。

(2)反饋類型：為了得到較佳的穩(wěn)壓效果，此處選擇使用TL431作為反饋，并使用偏置繞組進一步減少開關電源的空載功耗。反饋電路的選擇直接決定著輸出電壓的穩(wěn)壓精度，反饋電路一般有初級反饋和次級反饋，次級反饋又有次級穩(wěn)壓管和次級TL431兩種電路形式。使用齊納二極管作為參考的次級側反饋電路在溫度變化時通?？商峁┘s±7%的輸出調整率，而帶TL-431的次級側反饋通?？蔀榫€電壓和負載漂移提供優(yōu)于±5%輸出電壓穩(wěn)壓精度。

(3)漏極箝位電路：PI Expert提供了三類不同的箝位電路。軟件會根據(jù)電源的總輸出功率自動選擇最佳的箝位電路。由于此電源輸出功率在20W以下，故采用簡單的穩(wěn)壓二極管箝位電路。

PI Expert設計完成再手工調整后的開關電源。

4.2 高頻變壓器設計

設計高頻變壓器是設計開關電源最關鍵的一步。PI Expert在生成原理圖的同時自動生成變壓器的構造圖。調整PI Expert左側“設計樹視圖”中的“變壓器”和“繞組結構”參數(shù)即可調整變壓器的參數(shù)和結構。設計變壓器時需要注意以下兩點：

(1)為了減低漏感，功率最高的次級繞組應離變壓器的初級繞組最近。若某個次級繞組的圈數(shù)較少，則該繞組要橫跨繞線區(qū)域的整個寬度，以便改善耦合。

(2)由于此電源采用次級側的穩(wěn)壓方式，偏置繞組應位于初級繞組和次級繞組之間。當偏置繞組位于初級和次級之間時，它相當于一個連接至初級返回端的EMI屏蔽層，降低了電源產(chǎn)生的傳導EMI.

高頻變壓器的最終設計參數(shù)如下：

磁芯型號：EE19

初級電感：880uH

初級繞組：漆包線，Φ0.2mm，87匝

偏置繞組：漆包線，Φ0.25mm，10匝

次級繞組1：三層絕緣線，Φ0.4mm，4匝

次級繞組2：三層絕緣線，Φ0.4mm，5匝

繞組順序(由里向外)：初級繞組，次級繞組2，次級繞組1，偏置繞組。

5.試驗結果及分析

根據(jù)以上的設計參數(shù)實際制作硬件進行試驗。

在額定負載情況下，當輸入電壓為220V時，實測開關電源的輸出電壓波形如圖2所示。從圖上可以看出，開關電源的輸出特性良好，電壓波動非常小。再測輸出的紋波波形如圖3所示，由圖上可以看出，5V的紋波普遍在±100mV左右，12V的紋波在±100mV以下，效果理想。額定負載情況下，當輸入電壓為85V時，測試輸出電壓的波動和紋波均在允許范圍內(nèi)，未出現(xiàn)電源復位重啟現(xiàn)象;當輸入電壓為265V時，測試輸出電壓的波動和紋波均在允許范圍內(nèi)，未出現(xiàn)電源復位重啟現(xiàn)象;再對電源作保護功能的測試。使開關電源的輸出過載或短路時，開關電源進入2.5s間隔的自動復位重啟保護;輸出負載正常時開關電源恢復正常工作。

6.結語

試驗證明本文基于PI Expert設計的反激式開關電源具有良好的工作性能和高可靠性。該電源結構簡單，具有輸出過載和短路等保護功能。PI Expert是一款高效的設計工具，借助PI Expert軟件可以大大縮短開關電源的開發(fā)周期。