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新型TOPSwitch-GX系列電源的PI設計

發布時間:2010-9-15 12:01    發布者:techshare
關鍵詞: TOPSwitch-GX , 電源
電源設計需要考慮有關半導體器件、模擬電路、數字電路、電磁特性、電磁兼容性、熱力學等多方面。傳統設計方法要靠人工來完成,其步驟繁瑣、工作量大、效率低。而電源模塊SG3525或UC3842的外圍電路又較復雜,電路中某個元器件參數稍不合適。電源就不能穩定工作。為此,本文給出了采用PI Expert電源設計軟件對電源模塊進行設計基本方法。

1 TOPSwitch—GX系列產品的性能特點

PowerIntegration公司在第三代單片開關電源TOPSwitch—FX基礎上推出的第四代單片開關電源TOPSwitch—GX系列芯片。其最大輸出功率已擴展到290 W。由于將高壓功率MOSFETPWM控制、故障保護和其它控制電路高性價比地集成在單片CMOS芯片上,再加上其可在啟動時消除過沖、降低元件應力的軟起動、小EMI頻率抖動、欠壓保護和過壓關斷、可編程限流和獨有的Ecosmart節能等技術。該芯片可大大簡化電路設計,縮短設計周期。與TOPSwitch—FX相比,TOPSwitch—GX系列產品有如下優點:

◇ 輸出功率可擴展到290 W;

◇ 新增加了線路檢測端(L)和從外部設定極限電流端(X)這兩個引腳,用于代替TOP-Switch—FX的多功能端(M)的全部控制功能,使用更加靈活、方便;

◇ 具有更高的占空比,輸出功率更大、輸入電容更小;

◇ 有分開的線路檢測端與電流限制端;

◇ 線路前饋縮小了最大占空比,以抑制脈動紋波,并在電網電壓較高時起限制作用;

◇ 工作頻率提高到132 kHz,減少了變壓器和電源的尺寸;

◇ 當開關電源的負載很輕時,能自動將開關頻率從132 kHz降低到30 kHz(半頻模式下則由66 kHz降至15 kHz),這樣,可降低開關損耗,進一步提高電源效率;

◇ 采用先進的節能技術,功耗低,在110VAC時為80 mW,在230VAC時為160 mW。

2 基于TOPSwitch—GX的多路輸出設計

PI Expert電源設計軟件是PI公司開發的簡單易用、節省時間的創新設計工具。它是一種交互式軟件,可以針對相關的硬件芯片、按照使用者提出的電源規范產生具體能量轉換方案。PI Ex-pert提供一種直觀的、一步一步的設計界面,讓使用者分別設定變壓器、輸入電容參數和所用的PI芯片。完整的電路設計還包括輸出電容、鉗位二極管等參數選擇,電源發熱量、電路安全性分析也可以在軟件設計中加以考慮。利用PI公司的PI Expert軟件開發平臺,可以方便地設計開關電源電路、選擇電路拓撲、芯片系列、芯片封裝、工作頻率以及其他相關特性參數。該軟件根據用戶給定的輸入參數、輸出參數、優化方式、器件系列等相關信息。通過計算可給出器件變量電源部分元件選擇、電源輸出參數、變壓器結構參數和次級參數等信息。

2.1 設計要求及設計步驟

該系統的設計輸入電壓AC195~265V,頻率50Hz。輸出電壓24V時,最大輸出電流2A;輸出電壓12 V時,最大輸出電流有3 A和1 A兩種;輸出電壓8V時,最大輸出電流2A。同時要求輸入與輸出隔離。并能實現輸入欠壓和過壓保護、可外部設定極限電流等功能。

該系統的設計步驟如下:

(1)打開PI Expert設計軟件,新建一個設計文件,從FILE/NEW進入設計文件名的設置,輸入設計名“多路輸出電源模塊”,選擇區域后點擊OK進入輸入輸出設置,操作后的界面如圖1。  



(2)在輸入窗口選擇芯片頻率和封裝,根據所需功率容量選擇頻率為TOPGX130 kHz。采用Y封裝方便安裝,有助于散熱。輸入根據實際選擇AC195~265,優化方式為最低成本Cost,此時右側即出現了設計所需電路圖,如圖2所示。  



(3)輸出設置。根據實際在輸出窗口添加輸出電24 V;最大輸出電流2 A;輸出電壓12 V,最大輸出電流3 A;輸出電壓12 V,最大輸出電流1 A;輸出電壓8 V,最大輸出電流2A。添加后的界面視圖如圖3所示。



(4)設計結果輸出。運行菜單Navigate/AutoDesign后即可輸出設計結果。

2.2 高頻變壓器的選擇

變壓器設計也可以通過軟件來實現。本方案采用了PI Expert軟件。計算相當簡單,僅需輸入相關設計參數,軟件就會輸出所需的變壓器設計參數。初級線圈電感量Lp=382μH;初級匝數Np=32;初級線徑AWG20(O.813 mm)三股并繞;反饋繞組匝數NB=3.0;磁芯采用E135,選用鐵氧體磁性材料。制作相關參數;氣隙Lc=0.30 mm;初級漏感LL=2.9μH;次級24 V/2 A組匝數為6匝,AWG22(O.643 mm)3股并繞;次級12 V/3 A組匝數為3匝,AWG24(0.51 mm)4股并繞;次級12 V/1 A組匝數為3匝,AWG24(0.51 mm);8 V/2 A組AWG22(0.643 mm)2股并繞。軟件給出的參數都是經過一定優化的。實際設計中可優先選用推薦參數,實踐證明,這樣做是合理。

2.3 變壓器的繞制

PI—Expert軟件推薦變壓器采用堆疊式的繞制方法。其優點就是能加強磁耦合、改善輕載時的穩壓性能、骨架上的引腳較少、并且制造成本較低。繞制過程中,初級繞組在最里層,有利于減少初級繞組的分布電容,降低初級繞組對相鄰元件的干擾;12V/3A繞組緊挨初級繞組,其次由里向外分別為反饋繞組、24 V/2 A、8V/2 A、12V/1A用于減少漏感:反饋繞組在主電源的外邊,反饋繞組與次級繞組耦合最強。對電壓的變化敏感,有利于提高穩壓效果。各繞組層之間的絕緣使用聚脂薄膜隔離,保證了較好的絕緣強度。同時,為了降低磁輻射、減小溫升及便于安裝,在初級與次級線圈之間以及其外圈都用銅片隔離,且縫隙處用導熱膠灌注。在變壓器的設計和制作過程中,必須對磁芯與線圈的結構、繞制方法、散熱、效率等周密考慮。

2.4 電路工作原理

輸入交流195~265 V電壓接入交流電源進線端的LC,專門用于濾除電網線之間的串模干擾和共模干擾。交流電壓經全橋整流后。再通過濾波電容變成較平滑的直流電壓:與變壓器原邊并聯的吸收電路采用鉗位電壓為200 V的P6KE200型瞬態電壓;VD選用BYV26C型超快恢復二極管,其反向耐壓為600 V,可構成保護功能完善的VS、VD、R、C型鉗位及吸收電路,以便吸收漏感上較大的磁場能量,從而保護MOSFET不受損壞。由高頻變壓器T1和TOP246Y組成的單端反激電路,可將能量傳輸到二次側;輸出整流二極管采用共陰極肖特基對管.輸出濾波電路由L和C并聯構成;線性光耦合器PC817和可調式三端精密穩壓器TLA31組成精密光耦反饋電路;輸出電壓Uo通過電阻分壓器獲得取樣電壓,并與TLA31中的2.5 V基準電壓進行比較后產生誤差電壓,再經過光耦隔離放大,可改變TOP246Y的控制端電流Ic,使占空比發生變化,進而調節Uo保持不變;反饋繞組的輸出電壓經VD、C整流濾波后,給光耦的接收端提供偏壓。這種設計的優點在于:正常工作時VS的損耗非常小,泄漏磁場能量主要由R分擔;抑制器件的關鍵作用是限制在起動(或過載)情況下的尖峰電壓,確保MOSFET的漏極電壓低于700 V。

3 實驗結果

輸入電壓為AC230V時,測得如表1所列的結果,電源效率高達90%,負載調整率為±1%;輸入電壓為AC195~26 5V時,電源效率大于8 5%,滿載時紋波均小于100 mV。

4 結束語

TOPSwitch—GX開關電源簡單好用、功能齊全、易于設計。它集PWM/MOSFET于一體。具有過壓、欠壓、過流、過熱保護、遠程控制等眾多優點,并且采用PI—Expert軟件輔助,可以在短時間內設計出高性能、低價格、重量輕的開關電源。實驗證明,在寬范圍輸入的情況下.其輸出波形穩定,輸出紋波小,電源效率高,完全符合電器電源的要求。可廣泛應用于DC/DC變換模塊等各類小型高效節能型開關電源領域。
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