多路輸出單端反激式開(kāi)關(guān)電源設計
本文設計的開(kāi)關(guān)電源將作為智能儀表的電源，最大功率為10 W。為了減少PCB的數量和智能儀表的體積，要求電源尺寸盡量小并能將電源部分與儀表主控部分做在同一個(gè)PCB上。
考慮10W的功率以及小體積的因素，電路選用單端反激電路。單端反激電路的特點(diǎn)是：電路簡(jiǎn)單、體積小巧且成本低。單端反激電路由輸入濾波電路、脈寬調制電路、功率傳遞電路（由開(kāi)關(guān)管和變壓器組成）、輸出整流濾波電路、誤差檢測電路（由芯片TL431及周?chē)M成）及信號傳遞電路（由隔離光耦及電阻組成）等組成。本電源設計成表面貼裝的模塊電源，其具體參數要求如下：
輸出最大功率：10W
輸入交流電壓：85～265V
輸出直流電壓／電流：+5V，500mA；+12V，150mA；+24V，100mA
紋波電壓：≤120mV
單端反激式開(kāi)關(guān)電源的控制原理
所謂單端是指TOPSwitch-II系列器件只有一個(gè)脈沖調制信號功率輸出端一漏極D。反激式則指當功率MOSFET導通時(shí)，就將電能儲存在高頻變壓器的初級繞組上，僅當MOSFET關(guān)斷時(shí)，才向次級輸送電能，由于開(kāi)關(guān)頻率高達100kHz，使得高頻變壓器能夠快速存儲、釋放能量，經(jīng)高頻整流濾波后即可獲得直流連續輸出。這也是反激式電路的基本工作原理。而反饋回路通過(guò)控制TOPSwitch器件控制端的電流來(lái)調節占空比，以達到穩壓的目的。
TOPSwitch-Ⅱ系列芯片選型及介紹
TOPSwitch-Ⅱ系列芯片的漏極（D）與內部功率開(kāi)關(guān)器件MOSFET相連，外部通過(guò)負載電感與主電源相連，在啟動(dòng)狀態(tài)下通過(guò)內部開(kāi)關(guān)式高壓電源提供內部偏置電流，并設有電流檢測�？刂茦O（C）用于占空比控制的誤差放大器和反饋電流的輸入引腳，與內部并聯(lián)穩壓器連接，提供正常工作時(shí)的內部偏置電流，同時(shí)也是提供旁路、自動(dòng)重起和補償功能的電容連接點(diǎn)。源極（S）與高壓功率回路的MOSFET的源極相連，兼做初級電路的公共點(diǎn)與參考點(diǎn)。內部輸出極MOSFET的占空比隨控制引腳電流的增加而線(xiàn)性下降，控制電壓的典型值為5.7 V，極限電壓為9 V，控制端最大允許電流為100 mA。
在設計時(shí)還對閾值電壓采取了溫度補償措施，以消除因漏源導通電阻隨溫度變化而引起的漏極電流變化。當芯片結溫大于135℃時(shí)，過(guò)熱保護電路就輸出高電平，關(guān)斷輸出極。此時(shí)控制電壓Vc進(jìn)入滯后調節模式，Vc端波形也變成幅度為4.7V～5.7V的鋸齒波．若要重新啟動(dòng)電路，需斷電后再接通電路開(kāi)關(guān)，或者將Vc降至3.3V以下，再利用上電復位電路將內部觸發(fā)器置零，使MOSFET恢復正常工作。
采用TOPSwitch-Ⅱ系列設計單片開(kāi)關(guān)電源時(shí)所需外接元器件少，而且器件對電路板布局以及輸入總線(xiàn)瞬變的敏感性大大減少，故設計十分方便，性能穩定，性?xún)r(jià)比更高。
對于芯片的選擇主要考慮輸入電壓和功率。由設計要求可知，輸入電壓為寬范圍輸入，輸出功率不大于10W，故選擇TOP222G。
電路設計
電源主電路為反激式，C1、L1、C2，接在交流電源進(jìn)線(xiàn)端，用于濾除電網(wǎng)干擾，C5接在高壓和地之間，用于濾除高頻變壓器初、次級后和電容產(chǎn)生的共模干擾，在國際標準中被稱(chēng)為“Y電容”。C1跟C5都稱(chēng)作安全電容，但C1專(zhuān)門(mén)濾除電網(wǎng)線(xiàn)之間的串模干擾，被稱(chēng)為“X電容”。
為承受可能從電網(wǎng)線(xiàn)竄入的電擊，可在交流端并聯(lián)一個(gè)標稱(chēng)電壓u1mA為275V的壓敏電阻VSR。
鑒于在功率MOSFET關(guān)斷的瞬間，高頻變壓器的漏感產(chǎn)生尖峰電壓UL，另外，在原邊上會(huì )產(chǎn)生感應反向電動(dòng)勢UOR，二者疊加在直流輸入電壓上。典型的情況下，交流輸入電壓經(jīng)整流橋整流后，其最高電壓UImax=380V，UL≈165V，UOR=135V，貝UOR+UL+UOR≈680V。這就要求功率MOSFET至少能承受700V的高壓，同時(shí)還必須在漏極增加鉗位電路，用以吸收尖峰電壓，保護TOP222G中的功率MOSFET。本電源的鉗位電路由D2、D3組成。其中D2為瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）P6KE200，D3為超快恢復二極管UF4005。當MOSFET導通時(shí)，原邊電壓上端為正，下端為負，使得D3截止，鉗位電路不起作用。在MOSFET截止瞬間，原邊電壓變?yōu)橄露藶檎�，上端為負，此時(shí)D1導通，電壓被限制在200V左右。
輸出環(huán)節設計
以+5V輸出環(huán)節為例，次級線(xiàn)圈上的高頻電壓經(jīng)過(guò)UF5401型100V／3A的超快恢復二極管D7，由于+5V輸出功率相對較大，于是增加了后級LC濾波器，以減少輸出紋波電壓。濾波電感L2選用被稱(chēng)作“磁珠”的3.3μH穿心電感，可濾除D7在反向恢復過(guò)程中產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)噪聲。
對于其他兩路輸出，只需在輸出端分別加上濾波電容。其中R3、R4分別為輸出的假負載，它們能降低各自輸出端的空載和輕載電壓。
反饋環(huán)節設計
反饋同路主要由PC817和TL431及若干電容、電阻構成。其中U2為T(mén)L431，它為可調試精密并聯(lián)穩壓器，利用電阻R5、R6分壓獲得基準電壓值。通過(guò)調節R5、R6的值可以調節輸出電壓的穩壓值。C8為T(mén)L431的頻率補償電容，可以提高TL43l的瞬態(tài)頻率響應。C7為軟啟動(dòng)電容，取C7=22μF時(shí)可增加4ms的軟啟動(dòng)時(shí)間，在加上TOP222G本身已有的10ms軟啟動(dòng)時(shí)間，則總共為14ms。
U3為PC817型線(xiàn)性光耦合器，其電流傳輸比（CTR）范圍為80％～160％，，能夠較好地滿(mǎn)足反饋回路的設計要求，而目前國內常用的4N25、4N26屬于非線(xiàn)性光耦合器，不宜采用。反饋繞組上產(chǎn)生的電壓經(jīng)D4、C9整流濾波，獲得非隔離式+12V輸出，為PC817接收管的集電極供電。由于反饋繞組輸出電流較小，次級采用D4硅高速開(kāi)關(guān)管1N4148。光耦PC817能將+5V輸出與電網(wǎng)隔離，其發(fā)射極電流送至TOP222G的控制端，用來(lái)調節占空比。
C3為控制端旁路電容，它能對控制回路進(jìn)行補償并設定自動(dòng)重啟頻率。當C3=47μF時(shí)，自動(dòng)重啟頻率為1.2Hz，即每隔0.83s檢測一次調節失控故障是否已經(jīng)被排除，若確認已被排除，就自動(dòng)重啟開(kāi)關(guān)電源恢復正常工作。
R2為PC817中LED的外部限流電阻。實(shí)際上除了限流保護作用外，他對控制回路的增益也具有重要影響。當R2改變時(shí)，會(huì )依次影響到下列參數值：IF→IC→D→UO，也就相當于改變了控制回路的電流放大倍數。
下面簡(jiǎn)要分析一下反饋回路實(shí)現穩壓的工作原理。當輸出電壓UO發(fā)生波動(dòng)且變化量為UO時(shí)，通過(guò)取樣電阻R5、R6分壓后，就使TL431的輸出電壓UK也產(chǎn)生相應的變化，進(jìn)而使PC817中LED的工作電流IF改變，最后通過(guò)控制端電流IC的變化量來(lái)調節占空比D，使UO產(chǎn)生相反的變化，從而抵消UO的波動(dòng)。上述穩壓過(guò)程可歸納為：
UO ↑→UK ↓→IF ↑→IC ↑→D ↓→UO↓→最終使UO不變。
其余各路輸出未加反饋，輸出電壓均由高頻變壓器的匝數來(lái)確定。
變壓器設計
變壓器的設計是整個(gè)電源設計的關(guān)鍵，它的好壞直接影響電源性能。
磁芯及骨架的確定
由于本文選用漆包線(xiàn)繞制，而且EE型磁芯的價(jià)格低廉，磁損耗低且適應性強，故選擇EE22，其磁芯長(cháng)度A=22mm。從廠(chǎng)家提供的磁芯產(chǎn)品手冊中可查得磁芯有效橫截面積SJ=0.41cm2，有效磁路長(cháng)度1=3.96cm，磁芯等效電感AL=2.4μH／匝2，骨架寬度b=8.43mm。
確定最大占空比Dmax
其中，UOR=135V，直流輸入最小電壓值UImin=90V，MOSFET的漏-源導通電壓UDS（ON）=10V，代入上式得：Dmax=64.3％，接近典型值67％。Dmax隨著(zhù)輸入電壓的升高而減小。
計算初級線(xiàn)圈中的電流
輸入電流的平均值IAVG為：
其中，KRP為初級紋波電流IR與初級峰值電流IP的比值，當電壓為寬范圍輸入時(shí)，可取0.9。將Dmax=64.3％代入得，IP=0.518A。
確定初級繞組電感LP
確定繞組繞制方法
并計算各繞組的匝數
初級繞組的匝數NP可以通過(guò)下式
其中，磁芯截面積SJ=0.41cm2，磁芯最大磁通密度BM=60，IP=0.518A，LP≈1265μH，代入可得NP=26.6，實(shí)取30匝。
次級繞組采用堆疊式繞法，這也是變壓器生產(chǎn)廠(chǎng)家經(jīng)常采用的方法，其特點(diǎn)是由5V繞組給12V繞組提供部分匝數，而24V繞組中則包含了5V、12V的繞組和新增加的匝數。堆疊式繞法技術(shù)先進(jìn)，不僅可以節省導線(xiàn)，減小線(xiàn)圈體積，還可以增加繞組之間的互感量，加強耦合程度。以本電源為例，當5V輸出滿(mǎn)載而12V和24V輸出輕載時(shí)，由于5V繞組兼作12V、24V繞組的一部分，因此能減小這些繞組的漏感，可以避免因漏感使12V、24V輸出電路中的濾波電容被尖峰電壓充電到峰值，即產(chǎn)生所謂的峰值充電效應，從而引起輸出電壓不穩定。這里將5V繞組作為次級的始端。
對于多輸出高頻變壓器，各輸出繞組的匝數可以取相同的每伏匝數。每伏匝數nO可以由下式確定：
其單位是匝／VO將NS取5匝，UO1=5V，UF1=0.4V（肖特基整流管導通壓降）代入上式得到nO=0.925匝／V。
對于24V輸出，已知UO2=24V，UF2=0.4V，則該路輸出繞組匝數為NS2=0.925 匝／V×（24V十0.4V）=22.57匝，實(shí)取22匝。
對于12V輸出，已知UO3=12V，UF2=0.4V，則該路輸出繞組匝數為NS2=0.925匝／V ×（12V+0.4V）=11.47匝，實(shí)取11匝。
對于反饋繞組，已知UF=12V，UF3=0.7V（硅快速恢復整流二極管導通壓降），則該路輸出繞組匝數為NS2=0.925匝／V×（12V+0.4V）=11.47匝，實(shí)取11匝。
確定初／次級導線(xiàn)的內徑
首先根據初級層數d、骨架寬度b和安全邊距M，利用下式計算有效骨架寬度bE（單位是mm）：
bE=d（b-2M） （7）
將d=2，b=8.43mm，M=0代入上式可得bE=16.86mm。
利用下式計算初級導線(xiàn)的外徑（帶絕緣層）DPM：
DPM=bE／NP （8）
將bE=16.86mm，NP=78匝代人得DPM=0.31mm，扣除漆皮厚度，裸導線(xiàn)內徑DPM=0.26mm。與直徑0.26mm接近的公制線(xiàn)規為0.28mm，比0.26mm略粗完全可以滿(mǎn)足要求，而0.25mm的公制線(xiàn)規稍細，不宜選用。而次級繞組選用與初級相同的導線(xiàn)，根據電流的大小，采用多股并繞的方法繞制。
試驗數據
該開(kāi)關(guān)電源的輸人特性數據見(jiàn)表1，在u=85～245V的寬范圍內變化時(shí)，主路輸出UO1=5V（負載為65Ω）的電壓調整率SV=±0.2％，輸出紋波電壓最大值約為67mV；輔助輸出UO2=24V（負載為250Ω），輸出紋波電壓最大值約為98mV；輔助輸出UO3=12V（負載為100Q），輸出紋波電壓最大值約為84mV。
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