基于PI Expert的反激式开关电源设计方案 工作量, LED照明, 隔离, 性价比, 开关电源

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1.引言
近年来，开关电源的发展非常迅速。
相对于线性电源，开关电源有着体积小、重量轻、效率高、抗干扰强、输出电压范围宽和便于模块化等优点。开关电源分为隔离和非隔离两种形式，而隔离式又有正激和反激两种拓扑结构。
一般在中小功率电源场合，反激式开关电源往往最具性价比，因此被广泛应用于家电、工业控制、通讯、LED照明等领域。但设计一款具有高性价比的开关电源并非易事，需要设计人员具备丰富的理论知识和实践经验。按照传统的手工设计方法，开关电源需要计算的参数变量非常多，工作量较大。为配合用户进行开关电源的设计，Power Integrations公司推出了PI Expert电源设计软件，大大地减轻了设计人员的工作量。该软件简单易用，灵活方便，是一种高效的开关电源设计工具。
2.反激式开关电源的基本原理
所谓反激式开关电源，是指当变压器的初级线圈正好被直流电压激励时，变压器的次级线圈没有向负载提供功率输出，而仅在变压器初级线圈的激励电压被关断后才向负载提供功率输出，这种变压器开关电源称为反激式开关电源。反激式开关电源中的变压器起着储能元件的作用，可以看作是一对互相耦合的电感。在实际应用中，反激变换器又经常被设计成不连续导通模式(DCM模式)和连续导通模式(CCM模式)，以便根据具体的使用情况实现开关电源的最佳性能。
反激式开关电源一般由电源整流滤波电路，开关芯片，高频变压器，漏极箝位电路，反馈电路和输出滤波电路组成。
电源滤波电路一方面消除来自电网的干扰，同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散。输入整流电路将电网输入电压进行整流滤波，为高频变压器提供直流电压。开关芯片是开关电源的关键部分，选择一款好的开关芯片对开关电源的性能起着重大的作用。变压器是整个电源的核心，它把直流高电压变换成低电压，并且起到将输出部分与输入电网隔离的作用。漏极箝位电路的作用是当功率开关管(MOSFET)关断时，对由高频变压器漏感所形成的尖峰电压进行钳位和吸收，以防止开关管因过电压而损坏。反馈电路和输出滤波电路也是开关电源不可缺少的部分，其设计的好坏直接关系着输出电压的稳定性和质量。
3.PI Expert的主要功能和特点
PI Expert是一个自动化的图形用户界面(GUI)程序，通过接收用户输入的电源规格参数，自动生成基于PI系列IC设计的电源方案。PI Expert提供了构建和测试工作原型所需的一切信息，其中包括输入电路、器件选择、器件特性利用、箝位电路以及反馈电路在内的完整示意图和BOM.
PI Expert还提供完整的磁特性设计，也可生成用于机械装配的详细绕制说明。PIExpert的最新版本为V9.0.
运用PI Expert设计开关电源有以下几个步骤：
第一步：用设计向导新建一个设计。
在向导中我们需要分别选择开关电源的拓扑结构，开关芯片、开关频率、外壳、反馈类型、输入电压类型，输出参数和优化参数。
第二步：选择主输出绕组的匝数范围和磁芯选择范围，之后点击完成设计便可生成一个初步的开关电源电路图和设计参数列表。
第三步：补充参数。在PI Expert窗口左侧的“设计树试图”中补充设置一些未设置过的参数，如主输出电压，输出绕组叠加方式，EMI滤波结构等，设置完毕后点击“开始优化”即可完成。
第四步：手动调整。由于软件根据自身的算法计算元器件的值，所以存在非标或不常用的问题，这会给物料采购带来麻烦，这时候需要在合理的范围内调整器件的值。
设计完成后，PI Expert自动生成电路图、设计结果表单、电路板布局、材料清单和变压器构造示意图，非常方便。
4.设计实例
本文基于PI Expert设计了一款两路输出(+5V/250mA,+12V/1A)的反激式开关电源，其输入电压为通用宽电压85~265V.此电源采用PI公司TinySwitch-III系列产品中的TNY280PN作为开关芯片，高频变压器使用E E 1 9磁芯，具有输出过载和短路保护功能。
4.1 电路设计
PI Expert会根据用户输入的规格参数自动生成电路原理图，其中，较为关键的参数有：
(1)输出叠加方式：因为交流叠加式可提供较佳的交叉稳压和工作效率，故输出绕组采用交流叠加的方式进行互连。
(2)反馈类型：为了得到较佳的稳压效果，此处选择使用TL431作为反馈，并使用偏置绕组进一步减少开关电源的空载功耗。反馈电路的选择直接决定着输出电压的稳压精度，反馈电路一般有初级反馈和次级反馈，次级反馈又有次级稳压管和次级TL431两种电路形式。使用齐纳二极管作为参考的次级侧反馈电路在温度变化时通常可提供约±7%的输出调整率，而带TL-431的次级侧反馈通常可为线电压和负载漂移提供优于±5%输出电压稳压精度。
(3)漏极箝位电路：PI Expert提供了三类不同的箝位电路。软件会根据电源的总输出功率自动选择最佳的箝位电路。由于此电源输出功率在20W以下，故采用简单的稳压二极管箝位电路。
PI Expert设计完成再手工调整后的开关电源原理图如图1所示。
4.2 高频变压器设计
设计高频变压器是设计开关电源最关键的一步。PI Expert在生成原理图的同时自动生成变压器的构造图。调整PI Expert左侧“设计树视图”中的“变压器”和“绕组结构”参数即可调整变压器的参数和结构。设计变压器时需要注意以下两点：
(1)为了减低漏感，功率最高的次级绕组应离变压器的初级绕组最近。若某个次级绕组的圈数较少，则该绕组要横跨绕线区域的整个宽度，以便改善耦合。
(2)由于此电源采用次级侧的稳压方式，偏置绕组应位于初级绕组和次级绕组之间。当偏置绕组位于初级和次级之间时，它相当于一个连接至初级返回端的EMI屏蔽层，降低了电源产生的传导EMI.
高频变压器的最终设计参数如下：
磁芯型号：EE19
初级电感：880uH
初级绕组：漆包线，Φ0.2mm,87匝
偏置绕组：漆包线，Φ0.25mm,10匝
次级绕组1:三层绝缘线，Φ0.4mm,4匝
次级绕组2:三层绝缘线，Φ0.4mm,5匝
绕组顺序(由里向外)：初级绕组，次级绕组2,次级绕组1,偏置绕组。
5.试验结果及分析
根据以上的设计参数实际制作硬件进行试验。
在额定负载情况下，当输入电压为220V时，实测开关电源的输出电压波形如图2所示。从图上可以看出，开关电源的输出特性良好，电压波动非常小。再测输出的纹波波形如图3所示，由图上可以看出，5V的纹波普遍在±100mV左右，12V的纹波在±100mV以下，效果理想。额定负载情况下，当输入电压为85V时，测试输出电压的波动和纹波均在允许范围内，未出现电源复位重启现象;当输入电压为265V时，测试输出电压的波动和纹波均在允许范围内，未出现电源复位重启现象;再对电源作保护功能的测试。使开关电源的输出过载或短路时，开关电源进入2.5s间隔的自动复位重启保护;输出负载正常时开关电源恢复正常工作。


6.结语
试验证明本文基于PI Expert设计的反激式开关电源具有良好的工作性能和高可靠性。该电源结构简单，具有输出过载和短路等保护功能。PI Expert是一款高效的设计工具，借助PI Expert软件可以大大缩短开关电源的开发周期。