1設(shè)計概述

自從20世紀90年代以來，各種單片開關(guān)電源集成電路競相問世,，現(xiàn)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(yōu)點,，現(xiàn)已成為國際上開發(fā)250W以下中,、小功率開關(guān)電源、精密開關(guān)電源及電源模塊的優(yōu)選集成電路,。

單片開關(guān)電源不僅在整機電路設(shè)計,、高頻變壓器設(shè)計、反饋電路,、保護電路和關(guān)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(guān)電源的設(shè)計工作，這已成為國際電源領(lǐng)域的一項新技術(shù),。由美國PI（PowerIntegrations）公司開發(fā)的PIExpert軟件正是采用了這項技術(shù),。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(shù)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(xiàn)在每種系列產(chǎn)品各對應(yīng)于一套專門的軟件,，并且只能對現(xiàn)有產(chǎn)品進行設(shè)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(shù)能夠在國內(nèi)迅速推廣應(yīng)用,，我們在參考PIExpert的基礎(chǔ)上,，利用VisualBasic（以下簡稱VB）語言獨立開發(fā)出通用性很強的KDPExpert專家系統(tǒng)，為開關(guān)電源設(shè)計人員提供了一套功能強大而又簡便實用的設(shè)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(chǎn)品預(yù)留出足夠的接口,。本講座詳細闡述利用計算機設(shè)計單片開關(guān)電源的新技術(shù)以及KDPExpert軟件的設(shè)計思想，設(shè)計方法,、界面風(fēng)格和使用指南,。為了敘述方便，下面統(tǒng)一用TOPSwitch來表示TOPSwitch,、TOPSwitchⅡ,、TOPSwitchFX和TOPSwitchGX系列。

2單片開關(guān)電源的兩種工作模式

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

圖1兩種模式的開關(guān)電流波形

（a）連續(xù)模式（b）不連續(xù)模式

DUM（DiscontinuousMode）,。這兩種模式的開關(guān)電流波形分別如圖1（a）及圖1（b）所示。由圖可見,，在連續(xù)模式下,，初級開關(guān)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(guān)電流波形呈梯形,。這表明在連續(xù)模式下,，由于儲存在高頻變壓器的能量在每個開關(guān)周期內(nèi)并未全部釋放掉，因此下一個開關(guān)周期具有一個初始能量,。采用連續(xù)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(xù)模式要求增大初級電感量LP，這會導(dǎo)致高頻變壓器的體積增大,。綜上所述,，連續(xù)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(xù)模式的開關(guān)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(guān)周期內(nèi)完全釋放掉，其開關(guān)電流波形呈三角形,。不連續(xù)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(guān)電源反饋電路的四種基本類型

單片開關(guān)電源的電路可以千變?nèi)f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(wěn)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(yōu)點是電路簡單，成本低廉,，適于制作小型化,、經(jīng)濟性開關(guān)電源；其缺點是穩(wěn)壓性能較差,，電壓調(diào)整率SV=±1.5％～±2.5％,，負載調(diào)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(wěn)壓管的光耦反饋電路(d)配TL431的光耦反饋電路

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

表1單片開關(guān)電源典型產(chǎn)品的技術(shù)指標

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

圖2（c）是配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路,。由VDZ提供參考電壓UZ，當(dāng)輸出電壓UO發(fā)生波動時,，在光耦內(nèi)部的LED上可獲得誤差電壓,。因此，該電路相當(dāng)于給TOPSwitch增加一個外部誤差放大器,，再與內(nèi)部誤差放大器配合使用,，即可對UO進行調(diào)整。這種反饋電路能使電壓調(diào)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(fù)雜，但穩(wěn)壓性能最佳,。這里用TL431型可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器來代替普通的穩(wěn)壓管,，構(gòu)成外部誤差放大器，進而對UO作精細調(diào)整,，可使電壓調(diào)整率和負載調(diào)整率均達到±0.2％,，能與線性穩(wěn)壓電源相媲美。這種反饋電路適于構(gòu)成精密開關(guān)電源,。

在設(shè)計單片開關(guān)電源時,，應(yīng)根據(jù)實際情況來選擇合適的反饋電路，才能達到規(guī)定的技術(shù)指標,。

4單片開關(guān)電源典型產(chǎn)品的主要技術(shù)指標

詳見表1,。

5用計算機設(shè)計單片開關(guān)電源的程序流程圖

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

開關(guān)電源的優(yōu)化設(shè)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(shè)計程序；

（3）一套正確的“電子數(shù)據(jù)表格”,。表中的信息包括輸入數(shù)據(jù)（已知條件）,、中間變量和最終結(jié)果。

圖3開關(guān)電源的基本電路

圖4設(shè)計步驟1－11的程序流程圖

圖5設(shè)計步驟12－24的程序流程圖

　圖6設(shè)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(shù)據(jù)處理,。設(shè)計完畢時,，電子數(shù)據(jù)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(gòu)成開關(guān)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(shè)計開關(guān)電源時的全部程序流程圖,，詳見圖4－圖6?，F(xiàn)將整個設(shè)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(shè)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(shè)計高頻變壓器,。它應(yīng)符合技術(shù)要求且外形尺寸為最?。?/p>

（4）步驟25－步驟35：選擇外圍電路中的關(guān)鍵元器件,。