0 引言
    開關電源以其小型、輕量和高效率的特點，被廣泛地應用于各種電氣設備和系統(tǒng)中，其性能的優(yōu)劣直接關系到整個系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。開關穩(wěn)壓電源有多種類型，其中單端反激式開關電源由于具有線路簡單，所需要的元器件少，能夠提供多路隔離輸出等優(yōu)點而廣泛應用于小功率電源領域。
    傳統(tǒng)的單端反激電源一般由PWM控制芯片(如UC3842)和功率開關管(頻率較高時一般使用MOSFET)組成，PWM芯片控制環(huán)路設計復雜，容易造成系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，功率開關管有時需要外加驅動電路。另外，反激變壓器的設計也是一個難點，其往往導致電源設計周期延長。隨著PI公司生產的以TOPSwitch為代表的新一代單片開關電源的問世，以上諸多問題都得到了很好的解決。應用TOPSwitch設計開關電源，不僅器件更少，結構更簡單，發(fā)熱量更少，工作更可靠，而且與之配套的軟件設計平臺Pl Expert使得變壓器的設計也變得異常容易。兩者結合已成為一種高效的開關電源設計方案。本文以一個具體的設計實例，洋細闡述了如何應用TOPSwitch及PI Expert進行開關電源沒計，并通過試驗進行了驗證。

1 單端反激電源基本工作原理
    單端反激式開關電源的基本本作原理比較簡單。采用基本反饋電路的基于TOPSwitch的單端反激電路如圖l所示，其中變壓器T1具有能量存儲、原副邊隔離和電壓轉換三種作用。

    TOPSwitch開通時副邊整流二極管D2截止，此間輸出負載的能量由C1提供；TOPSwitch關斷后,變壓器磁心中的磁通減少,副邊繞組電壓極性反向，整流二極管開始導通,存儲在變壓器中的能量輸送給負載，同時補充C1先前減少的能量。
    根據(jù)變壓器原邊電流是否減小到零，可以將單端反激式開關電源分為斷續(xù)和連續(xù)兩種工作模式。不同工作模式對整個電源的效率以及相關參數(shù)的選擇都有一定影響。

2 TOPSwithch及PI Expert簡介
    TOPSwitch系列單片開關電源是美國Power Integrations(PI)公司開發(fā)的新型開關電源芯片，其將離線式開關電源所必需的各種功能模塊都集成到一塊芯片上，包括高壓功率場效應管MOSFET、PWM控制器、高頻振蕩器、高壓啟動偏置電路、基準電壓、誤差放大器、用于環(huán)路補償?shù)牟⒙?lián)偏置調整器以及各種保護電路等。
    TOPSwitch主要引腳有三個，分別為引腳DRAIN(D)、引腳SOURCE(S)和引腳CONTROL(C)，附加引腳包括過欠壓檢測(L)、電流限制(X)以及頻率選擇(F)。
    使用時需在C和S之間接一個47μF旁路電容，利用該電容的充電過程來實現(xiàn)電路的軟啟動。CONTROL引腳為誤差放大器和反饋輸入腳，實現(xiàn)占空比調節(jié)控制。
    PI Expert是Pl公司專門針對TOPSwitch開發(fā)的一種交互式電源設計軟件平臺。其特點是簡單易用、靈活方便，是一種高效的開關電源沒計工具。

3 設計實列
    本文設計一種單端反激式多路輸出開關電源，用作電氣傳動系統(tǒng)中的控制及驅動電源。其輸入電壓為交流85～265V，并要求整個電路結構簡單、工作可靠，具有過欠壓保護功能。各路輸出之間相互電氣隔離，其中用作控制電源的一路要求輸出功率較大，穩(wěn)壓精度±5％，用作驅動的各路輸出功率較小，穩(wěn)壓精度±10%。
3.1 電路結構選擇
    單端反激式開關電源的電路結構根據(jù)采用的反饋方式的不同可分為以下幾種：
    (1)Primary/Basic型，利用繞組進行反饋；
    (2)Primary/Bnhanced型，利用繞組和一個齊納二極管進行反饋；
    (3)Opto/Zener型，利用光耦和齊納二極管進行反饋；
    (4)Opto/TL43l型，利用光耦和精密基準源TL43I進行反饋。
    以上幾種結構，性能依次增強，但成本和復雜程度也依次增加。
    Primary/Basic型結構最簡單，只需要一個電阻，利用各繞組之間的磁耦合關系，直接采用繞組進行反饋(圖1所示)。本設計采用這種結構，并對要求有較高穩(wěn)壓精度的+5V控制電源一路加裝一片穩(wěn)壓芯片(如7805)，這樣既保證了所要求的輸出有足夠的穩(wěn)壓精度，同時也省去了反饋光耦和精密基準源TL43l，電路結構簡單，工作可靠，從成本上考慮也是可取的。
    系統(tǒng)電路圖如圖2所示。

    圖2中，P6KE200和BYV26C組成關斷過壓吸收電路，R1為過欠壓檢測電阻，R2為過流檢測電阻，NF為反饋繞組，RF為反饋電阻。
3.2 反激變壓器設計
    變壓器是開關電源的核心部件，其設計的好壞直接影響開關電源的性能。由于在反激式開關電源中，反激變壓器除了實現(xiàn)原副邊隔離和電壓轉換外，還承擔儲能的作用，所以在常規(guī)的變壓器設計方法基礎之上，反激變壓器的設計還要特別關注原邊電感量這個重要參數(shù)，其直接影響變壓器儲能的大小。
    手工設計反激變壓器非常復雜。需要計算原邊電感量，根據(jù)功率初步選定一個磁芯和骨架，計算原副邊匝數(shù)，計算線徑，計算氣隙長度，最后核算窗口面積和最大磁通密度，如超過限定值。則需重新設計。經過反復的計算及修改，直到滿足要求為止。
    應用PI Expert軟件只需經過幾步簡單的操作，就能得到設計結果，包括所推薦的變壓器磁芯型號、原副邊匝數(shù)、導線線徑、原邊電感量和T0P-Switch芯片型號等關鍵參數(shù)。最終設計參數(shù)如下：
    TOPSwitch芯片型號 TOP243Y；
    磁芯型號 EI22；
    原邊電感 600μH；
    原邊匝數(shù) 原邊56匝；
    副邊匝數(shù) 3匝(5V)，8匝(15V)；
    反饋繞組匝數(shù) 4匝；
    線徑 35AWG(原邊)，31-35AWG
    (15V)，2l-25AWG（5V）。
    另外，在此基礎上還可以用PI公司提供的PI Transformer Designer軟件對變壓器參數(shù)進行優(yōu)化。

4 試驗結果及分析
    根據(jù)以上設計，實際構建了一個基于TOP243Y的單端反激式多路輸出開關電源硬件電路進行試驗。
4.1 自動重啟試驗
    為了掌握TOPSwitch芯片的工作特性，在搭建好試驗電路后，斷開芯片控制端的反饋電路，僅在漏源之間加一個30V左右的低電壓對其進行自動重啟試驗。圖3為自動重啟過程波形圖。通道l為漏極電壓波形，通道2為控制端電壓波形。從圖3中可以看出，控制端電壓VC保持在4.8～5.8V之間，這是由芯片內部的高壓電流源不斷對控制端電容進行充放電形成的。每經過8個這樣的充放電周期，芯片將重啟一次，這樣極大地減少了芯片的功耗。另外，一些電路故障(如輸出短路)也會導致TOPSwitch芯片進入自動重啟過程。

4.2 負載試驗
    在AC l00V輸入情況下，給所有輸出帶上額定負載。通過長時間考核實驗后，各路電源輸出穩(wěn)定、輸出電壓值滿足設計要求。其中兩路的輸出電壓波形如圖4所示。

    輕載時電源工作在斷續(xù)模式，斷續(xù)模式時輸出電壓對負載變化比較敏感；滿載時電源工作在連續(xù)模式，連續(xù)模式時負載波動對輸出電壓的影響較小。斷續(xù)和連續(xù)時TOPSwitch管漏源電壓波形如圖5所示。
    另外，還選擇了其中的5V/lA和15V/100mA兩路進行了 200％過載試驗。過載這兩路輸出電壓比設計值下降約lV，輸出電壓紋波明顯增大，TOP管發(fā)熱量增加，變壓器發(fā)熱量增加且有微響，輸出濾波電容發(fā)燙；額定負載的幾路輸出電壓也下降了約O.5V，其它正常。半小時后，TOPSwitch管過熱保護。
4.3 過欠壓保護試驗
    過欠壓檢測電阻取值為2MΩ，當輸入交流整流后的直流電壓低于100V時欠壓保護動作，高于450V時過壓保護動作。無論是過壓還是欠壓，都將導致TOPSwitch管停止工作，直到過欠壓情況消失，系統(tǒng)才能恢復正常工作。
4.4 單點故障試驗
    為了保證電路的可靠性，對電路中的不同器件和不同關鍵節(jié)點進行了開路、短路試驗。針對一路輸出的單點測試方案包括以下幾項試驗：a漏極、控制端開路試驗；b控制端外接電容短路、開路試驗；c原邊繞組短路、開路試驗；d副邊繞組或輸出整流二極管短路、開路試驗；e輸出濾波電容短路、開路試驗。
    試驗結果如表1所列。其中a至e代表上面提及的試驗項目，b（短）表示b項目控制端外接電容短路，b（開）表示b項目控制端外接電容開路，其他依此類推。

5 結語
    試驗證明本文所設計的單端反激式多路輸出開關電源具有良好的工作性能。該電路所用器件少，結構精簡，控制方式簡單，具有過欠壓等保護功能，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和電磁兼容能力。采用TOPSwitch系列芯片結合PI Expert軟件進行開關電源設計，周期短，成本低，效率高。