1.引言

近年來，開關電源的發(fā)展非常迅速。

相關于線性電源，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，要設計人員具備豐富的理論知識和實踐相關經(jīng)驗。按照傳統(tǒng)的手工設計方法，開關電源要計算的參數(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，powerIntegrations公司推出了pIExpert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供應功率輸出，而僅在變壓器初級線圈的激勵電壓被關斷后才向負載供應功率輸出，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用途，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)常被設計成不持續(xù)導通模式(DCM模式)和持續(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出現(xiàn)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，為高頻變壓器供應直流電壓。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用途。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)隔離的用途。漏極箝位電路的用途是當功率開關管(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.pIExpert的重要功能和特點

pIExpert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設計的電源方法。pIExpert供應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的完整示意圖和BOM.

pIExpert還供應完整的磁特性設計，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pIExpert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pIExpert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，這時候要在合理的范圍內調整器件的值。

設計完成后，pIExpert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pIExpert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系列產品中的TNY280pN作為開關芯片，高頻變壓器使用EE19磁芯，具有輸出過載和短路保護功能。

4.1電路設計

pIExpert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：因為交流疊加式可供應較佳的交叉穩(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常可供應約±7%的輸出調整率，而帶TL-431的次級側反饋通常可為線電壓和負載漂移供應優(yōu)于±5%輸出電壓穩(wěn)壓精度。

(3)漏極箝位電路：pIExpert供應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。

pIExpert設計完成再手工調整后的開關電源原理圖如圖1所示。

設計高頻變壓器是設計開關電源最關鍵的一步。pIExpert在生成原理圖的同時自動生成變壓器的構造圖。調整pIExpert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，降低了電源出現(xiàn)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，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，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pIExpert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。pIExpert是一款高效的設計工具，借助pIExpert軟件可以大大縮短開關電源的開發(fā)周期。