利用計算機設計單片開關電源講座

第一講

單片開關電源設計概述及程序流程圖

1設計概述

自從20世紀90年代以來，各種單片開關電源集成電路競相問世，現已形成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、高性價比、最簡外圍電路、最佳性能指標等顯著優點，現已成為國際上開發250W以下中、小功率開關電源、精密開關電源及電源模塊的優選集成電路。

單片開關電源不僅在整機電路設計、高頻變壓器設計、反饋電路、保護電路和關鍵元器件的選擇方面有許多獨到之處，而且特別適合用計算機來完成整個開關電源的設計工作，這已成為國際電源領域的一項新技術。由美國PI（PowerIntegrations）公司開發的PIExpert軟件正是采用了這項技術。但是，該軟件沒有作為商品對外出售，所贈送的光盤也對軟件的安裝使用次數以及運行時間進行了嚴格限制，軟件的原代碼更列為公司的最高機密。此外，PIExpert軟件亦存在某些不足之處，突出表現在每種系列產品各對應于一套專門的軟件，并且只能對現有產品進行設計。因此，也給用戶使用帶來一些不便之處。

為解決上述問題，促使這項新技術能夠在國內迅速推廣應用，我們在參考PIExpert的基礎上，利用VisualBasic（以下簡稱VB）語言獨立開發出通用性很強的KDPExpert專家系統，為開關電源設計人員提供了一套功能強大而又簡便實用的設計軟件。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品預留出足夠的接口。本講座詳細闡述利用計算機設計單片開關電源的新技術以及KDPExpert軟件的設計思想，設計方法、界面風格和使用指南。為了敘述方便，下面統一用TOPSwitch來表示TOPSwitch、TOPSwitch?Ⅱ、TOPSwitch?FX和TOPSwitch?GX系列。

2單片開關電源的兩種工作模式

單片開關電源有兩種基本工作模式：一種是連續模式CUM（ContinuousMode），另一種是不連續模式

圖1兩種模式的開關電流波形

（a）連續模式（b）不連續模式

DUM（DiscontinuousMode）。這兩種模式的開關電流波形分別如圖1（a）及圖1（b）所示。由圖可見，在連續模式下，初級開關電流是從一定幅度開始的，然后上升到峰值，再迅速回零。其開關電流波形呈梯形。這表明在連續模式下，由于儲存在高頻變壓器的能量在每個開關周期內并未全部釋放掉，因此下一個開關周期具有一個初始能量。采用連續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。但連續模式要求增大初級電感量LP，這會導致高頻變壓器的體積增大。綜上所述，連續模式適用于功率較小的TOPSwitch和尺寸較大的高頻變壓器。

不連續模式的開關電流是從零開始上升到峰值，再降至零的。這就意味著儲存在高頻變壓器中的能量必須在每個開關周期內完全釋放掉，其開關電流波形呈三角形。不連續模式下的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單片開關電源反饋電路的四種基本類型

單片開關電源的電路可以千變萬化，但其反饋電路只有四種基本類型：

（1）基本反饋電路；

（2）改進型基本反饋電路；

（3）配穩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，其優點是電路簡單，成本低廉，適于制作小型化、經濟性開關電源；其缺點是穩壓性能較差，電壓調整率SV=±1.5％～±2.5％，負載調整率SI≈±5％。

圖2反饋電路的四種基本類型

（a）基本反饋電路（b）改進型基本反饋電路（c)配穩壓管的光耦反饋電路(d)配TL431的光耦反饋電路

＊當f=130kHz時，Δf=±4kHz；當f=65kHz時，Δf=±2kHz。

表1單片開關電源典型產品的技術指標

圖2（b）為改進型基本反饋電路，只需增加一只穩壓管VDZ和電阻R1，即可使負載調整率達到±2％。VDZ的穩定電壓一般為22V，必須相應增加反饋繞組的匝數，以獲得較高的反饋電壓UFB，滿足電路的需要。

圖2（c）是配穩壓管的光耦反饋電路。由VDZ提供參考電壓UZ，當輸出電壓UO發生波動時，在光耦內部的LED上可獲得誤差電壓。因此，該電路相當于給TOPSwitch增加一個外部誤差放大器，再與內部誤差放大器配合使用，即可對UO進行調整。這種反饋電路能使電壓調整率達到±1％以下。

圖2（d）是配TL431的光耦反饋電路，其電路較復雜，但穩壓性能最佳。這里用TL431型可調式精密并聯穩壓器來代替普通的穩壓管，構成外部誤差放大器，進而對UO作精細調整，可使電壓調整率和負載調整率均達到±0.2％，能與線性穩壓電源相媲美。這種反饋電路適于構成精密開關電源。

在設計單片開關電源時，應根據實際情況來選擇合適的反饋電路，才能達到規定的技術指標。

4單片開關電源典型產品的主要技術指標

詳見表1。

5用計算機設計單片開關電源的程序流程圖

設計高性價比的開關電源，所涉及的知識面很廣。設計人員不僅要掌握各種TOPSwitch系列產品的工作原理和應用電路，還必須了解有關通用及特種半導體器件、模擬與數字電路、電磁兼容性、熱力學等方面的知識。按照傳統方法，開關電源要全部靠人工設計，不僅工作量大，效率低，而且因設計時的變量多，難于準確估算，使得設計結果與實際情況相差較大，還需多次反復修正。單片開關電源的問世，使開關電源的設計能實現標準化和規范化。而利用計算機來設計開關電源，還能充分發揮高科技的優勢，極大地減輕設計人員的工作量并可實現最優化設計。

開關電源的優化設計是由三部分組成的：

（1）一組完整的程序流程圖；

（2）一套簡單實用的設計程序；

（3）一套正確的“電子數據表格”。表中的信息包括輸入數據（已知條件）、中間變量和最終結果。

圖3開關電源的基本電路

圖4設計步驟1－11的程序流程圖

圖5設計步驟12－24的程序流程圖

　圖6設計步驟25－35的程序流程圖

全部計算過程就是用計算機進行數據處理。設計完畢時，電子數據表格也就自動生成了。上述過程可用程序流程圖形象地表示出來。由TOPSwitch構成開關電源的基本電路如圖3所示。下面就以該電路為例，介紹用計算機設計開關電源時的全部程序流程圖，詳見圖4－圖6。現將整個設計過程分成4個階段，共35個步驟（詳見下期第二講）：

（1）步驟1－步驟2：確定總體設計方案，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，又不留出過多余量；

（3）步驟12－步驟24：設計高頻變壓器。它應符合技術要求且外形尺寸為最小；

（4）步驟25－步驟35：選擇外圍電路中的關鍵元器件。