利用计算机设计单片开关电源讲座.沙占友

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1、利用计算机设计单片开关电源讲座第一讲单片开关电源设计概述及程序流程图沙占友，王彦朋，孟志永（河北科技大学，河北石家庄050054）1.设计概述自从20世纪90年代以来，各种单片开关电源集成电路竞相问世，现已形成TOPSwitch、TOPSwitchⅡ、TOPSwitchFX、TOPSwitchGX、TinySwitch和TinySwitchII六大系列近百种型号。它们具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等显著优点，现已成为国际上开发250W以下中、小功率开关电源、精密开关电源及电源模块的优选集成电路。单片开关电源不仅在整机电路设计、高频变压器设计、反馈电路、保

2、护电路和关键元器件的选择方面有许多独到之处，而且特别适合用计算机来完成整个开关电源的设计工作，这已成为国际电源领域的一项新技术。由美国PI（PowerIntegrations）公司开发的PIExpert软件正是采用了这项技术。但是，该软件没有作为商品对外出售，所赠送的光盘也对软件的安装使用次数以及运行时间进行了严格限制，软件的原代码更列为公司的最高机密。此外，PIExpert软件亦存在某些不足之处，突出表现在每种系列产品各对应于一套专门的软件，并且只能对现有产品进行设计。因此，也给用户使用带来一些不便之处。为解决上述问题，促使这项新技术能够在国内迅速推广应用，我们在参考PI

3、Expert的基础上，利用VisualBasic（以下简称VB）语言独立开发出通用性很强的KDPExpert专家系统，为开关电源设计人员提供了一套功能强大而又简便实用的设计软件。该软件不仅适用于TOPSwitch、TOPSwitchⅡ、TOPSwitchFX和TOPSwitchGX系列，还为将来问世的新产品预留出足够的接口。本讲座详细阐述利用计算机设计单片开关电源的新技术以及KDPExpert软件的设计思想，设计方法、界面风格和使用指南。为了叙述方便，下面统一用TOPSwitch来表示TOPSwitch、TOPSwitchⅡ、TOPSwitchFX和TOPSwitchGX系

4、列。2.单片开关电源的两种工作模式单片开关电源有两种基本工作模式：一种是连续模式CUM（ContinuousMode），另一种是不连续模式图1两种模式的开关电流波形（a）连续模式（b）不连续模式DUM（DiscontinuousMode）。这两种模式的开关电流波形分别如图1（a）及图1（b）所示。由图可见，在连续模式下，初级开关电流是从一定幅度开始的，然后上升到峰值，再迅速回零。其开关电流波形呈梯形。这表明在连续模式下，由于储存在高频变压器的能量在每个开关周期内并未全部释放掉，因此下一个开关周期具有一个初始能量。采用连续模式可减小初级峰值电流IP和有效值电流IRMS，降低芯

5、片的功耗。但连续模式要求增大初级电感量LP，这会导致高频变压器的体积增大。综上所述，连续模式适用于功率较小的TOPSwitch和尺寸较大的高频变压器。不连续模式的开关电流是从零开始上升到峰值，再降至零的。这就意味着储存在高频变压器中的能量必须在每个开关周期内完全释放掉，其开关电流波形呈三角形。不连续模式下的IP、IRMS值较大，但所需要的LP较小。因此，它适合于采用输出功率较大的TOPSwitch，配尺寸较小的高频变压器。3.单片开关电源反馈电路的四种基本类型单片开关电源的电路可以千变万化，但其反馈电路只有四种基本类型：（1）基本反馈电路；（2）改进型基本反馈电路；（3）配

6、稳压管的光耦反馈电路；（4）配TL431的光耦反馈电路。它们的简化电路如图2所示。图2（a）为基本反馈电路，其优点是电路简单，成本低廉，适于制作小型化、经济性开关电源；其缺点是稳压性能较差，电压调整率SV=±1.5％～±2.5％，负载调整率SI≈±5％。图2反馈电路的四种基本类型（a）基本反馈电路（b）改进型基本反馈电路（c）配稳压管的光耦反馈电路（d）配TL431光耦反馈电路＊当f=130kHz时，Δf=±4kHz；当f=65kHz时，Δf=±2kHz。表1单片开关电源典型产品的技术指标产品型号参数名称符号及单位TOP227YTNY255P/GTNY256P/GTNY23

7、4P/Y/GTOP249Y开关频率f(kHz)100130130130/65132/66最大占空比Dmax(％)6767667878最小占空比Dmin(％)1.71.5脉宽调制增益K(％mA)－16－22－23控制端电压UC(V)5.75.85.8使能端电压UEN(V)1.451.45旁路端电压UBP(V)5.85.8状态控制端开启电压USCI(ON)(V)自动重启动频率fAR(Hz)1.21.01.0自动重启动占空比DAR(％)544漏极极限电流ILIMIT(A)3.000.2800.5001.5005.40漏源