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新型TOPSwitchGX系列电源的PI设计

发布时间:2020-06-30 18:03:35 阅读: 来源:不锈钢酒桶厂家

引言 电源设计需要考虑有关半导体器件、模拟电路、数字电路、电磁特性、电磁兼容性、热力学等多方面。传统设计方法要靠人工来完成,其步骤繁琐、工作量大、效率低。而电源模块SG3525或UC3842的外围电路又较复杂,电路中某个元器件参数稍不合适。电源就不能稳定工作。为此,本文给出了采用PI Expert电源设计软件对电源模块进行设计基本方法。

1 TOPSwitch—GX系列产品的性能特点

PowerIntegration公司在第三代单片开关电源TOPSwitch—FX基础上推出的第四代单片开关电源TOPSwitch—GX系列芯片。其最大输出功率已扩展到290 W。由于将高压功率MOSFET、PWM控制、故障保护和其它控制电路高性价比地集成在单片CMOS芯片上,再加上其可在启动时消除过冲、降低元件应力的软起动、小EMI频率抖动、欠压保护和过压关断、可编程限流和独有的Ecosmart节能等技术。该芯片可大大简化电路设计,缩短设计周期。与TOPSwitch—FX相比,TOPSwitch—GX系列产品有如下优点:

◇ 输出功率可扩展到290 W;

◇ 新增加了线路检测端(L)和从外部设定极限电流端(X)这两个引脚,用于代替TOP-Switch—FX的多功能端(M)的全部控制功能,使用更加灵活、方便;

◇ 具有更高的占空比,输出功率更大、输入电容更小;

◇ 有分开的线路检测端与电流限制端;

◇ 线路前馈缩小了最大占空比,以抑制脉动纹波,并在电网电压较高时起限制作用;

◇ 工作频率提高到132 kHz,减少了变压器和电源的尺寸;

◇ 当开关电源的负载很轻时,能自动将开关频率从132 kHz降低到30 kHz(半频模式下则由66 kHz降至15 kHz),这样,可降低开关损耗,进一步提高电源效率;

◇ 采用先进的节能技术,功耗低,在110VAC时为80 mW,在230VAC时为160 mW。

2 基于TOPSwitch—GX的多路输出设计

PI Expert电源设计软件是PI公司开发的简单易用、节省时间的创新设计工具。它是一种交互式软件,可以针对相关的硬件芯片、按照使用者提出的电源规范产生具体能量转换方案。PI Ex-pert提供一种直观的、一步一步的设计界面,让使用者分别设定变压器、输入电容参数和所用的PI芯片。完整的电路设计还包括输出电容、钳位二极管等参数选择,电源发热量、电路安全性分析也可以在软件设计中加以考虑。利用PI公司的PI Expert软件开发平台,可以方便地设计开关电源电路、选择电路拓扑、芯片系列、芯片封装、工作频率以及其他相关特性参数。该软件根据用户给定的输入参数、输出参数、优化方式、器件系列等相关信息。通过计算可给出器件变量电源部分元件选择、电源输出参数、变压器结构参数和次级参数等信息。

2.1 设计要求及设计步骤

该系统的设计输入电压AC195~265V,频率50Hz。输出电压24V时,最大输出电流2A;输出电压12 V时,最大输出电流有3 A和1 A两种;输出电压8V时,最大输出电流2A。同时要求输入与输出隔离。并能实现输入欠压和过压保护、可外部设定极限电流等功能。

该系统的设计步骤如下:

(1)打开PI Expert设计软件,新建一个设计文件,从FILE/NEW进入设计文件名的设置,输入设计名“多路输出电源模块”,选择区域后点击OK进入输入输出设置,操作后的界面如图1。

(2)在输入窗口选择芯片频率和封装,根据所需功率容量选择频率为TOPGX130 kHz。采用Y封装方便安装,有助于散热。输入根据实际选择AC195~265,优化方式为最低成本Cost,此时右侧即出现了设计所需电路图,如图2所示。

(3)输出设置。根据实际在输出窗口添加输出电24 V;最大输出电流2 A;输出电压12 V,最大输出电流3 A;输出电压12 V,最大输出电流1 A;输出电压8 V,最大输出电流2A。添加后的界面视图如图3所示。

(4)设计结果输出。运行菜单Navigate/AutoDesign后即可输出设计结果。

2.2 高频变压器的选择

变压器设计也可以通过软件来实现。本方案采用了PI Expert软件。计算相当简单,仅需输入相关设计参数,软件就会输出所需的变压器设计参数。初级线圈电感量Lp=382μH;初级匝数Np=32;初级线径AWG20(O.813 mm)三股并绕;反馈绕组匝数NB=3.0;磁芯采用E135,选用铁氧体磁性材料。制作相关参数;气隙Lc=0.30 mm;初级漏感LL=2.9μH;次级24 V/2 A组匝数为6匝,AWG22(O.643 mm)3股并绕;次级12 V/3 A组匝数为3匝,AWG24(0.51 mm)4股并绕;次级12 V/1 A组匝数为3匝,AWG24(0.51 mm);8 V/2 A组AWG22(0.643 mm)2股并绕。软件给出的参数都是经过一定优化的。实际设计中可优先选用推荐参数,实践证明,这样做是合理。

2.3 变压器的绕制

PI—Expert软件推荐变压器采用堆叠式的绕制方法。其优点就是能加强磁耦合、改善轻载时的稳压性能、骨架上的引脚较少、并且制造成本较低。绕制过程中,初级绕组在最里层,有利于减少初级绕组的分布电容,降低初级绕组对相邻元件的干扰;12V/3A绕组紧挨初级绕组,其次由里向外分别为反馈绕组、24 V/2 A、8V/2 A、12V/1A用于减少漏感:反馈绕组在主电源的外边,反馈绕组与次级绕组耦合最强。对电压的变化敏感,有利于提高稳压效果。各绕组层之间的绝缘使用聚脂薄膜隔离,保证了较好的绝缘强度。同时,为了降低磁辐射、减小温升及便于安装,在初级与次级线圈之间以及其外圈都用铜片隔离,且缝隙处用导热胶灌注。在变压器的设计和制作过程中,必须对磁芯与线圈的结构、绕制方法、散热、效率等周密考虑。

2.4 电路工作原理

输入交流195~265 V电压接入交流电源进线端的LC,专门用于滤除电网线之间的串模干扰和共模干扰。交流电压经全桥整流后。再通过滤波电容变成较平滑的直流电压:与变压器原边并联的吸收电路采用钳位电压为200 V的P6KE200型瞬态电压;VD选用BYV26C型超快恢复二极管,其反向耐压为600 V,可构成保护功能完善的VS、VD、R、C型钳位及吸收电路,以便吸收漏感上较大的磁场能量,从而保护MOSFET不受损坏。由高频变压器T1和TOP246Y组成的单端反激电路,可将能量传输到二次侧;输出整流二极管采用共阴极肖特基对管.输出滤波电路由L和C并联构成;线性光耦合器PC817和可调式三端精密稳压器TLA31组成精密光耦反馈电路;输出电压Uo通过电阻分压器获得取样电压,并与TLA31中的2.5 V基准电压进行比较后产生误差电压,再经过光耦隔离放大,可改变TOP246Y的控制端电流Ic,使占空比发生变化,进而调节Uo保持不变;反馈绕组的输出电压经VD、C整流滤波后,给光耦的接收端提供偏压。这种设计的优点在于:正常工作时VS的损耗非常小,泄漏磁场能量主要由R分担;抑制器件的关键作用是限制在起动(或过载)情况下的尖峰电压,确保MOSFET的漏极电压低于700 V。

3 实验结果

输入电压为AC230V时,测得如表1所列的结果,电源效率高达90%,负载调整率为

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