基于TOPSwitch的反激式DC/DC变换器设计

侯晓云



基于TOPSwitch的反激式DC/DC变换器设计

侯晓云

(衡水学院 电子信息工程学院，河北 衡水 053000)

开关电源以其体积小、效率高等优点被广泛应用于计算机等各类电子设备中，小型化是其发展趋势之一．DC/DC变换器是开关电源的核心部分．设计了一种基于TOPSwitch的反激式DC/DC变换器，主要包括主电路、控制电路、反馈电路等部分．对电路进行了制作与测试．实验结果表明，电路输出电压稳定、结构简单、体积较小、简化了设计过程．

反激式；TOPSwitch；DC/DC变换器

在生产生活中常常用到直流稳压电源．由于直流电源的设计包括模拟、数字电路设计、功率开关管选取、电感绕制、控制电路、反馈电路设计等一系列问题，故设计过程较为复杂．美国PI公司生产的TOPSwitch-GX系列芯片将功率开关管MOSFET与控制电路合为一体，并具有过压、欠压保护等功能，从而使外围电路更加简单，简化了直流稳压电源的设计过程，是目前设计反激式DC/DC变换器的理想选择[1]．

1 反激式DC/DC变换器基本工作原理

当变压器的初级线圈被直流电压激励时，变压器的次级线圈不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，这种变换器称为反激式DC/DC变换器，见图1．

图1 反激式DC/DC变换器

图1中K1为高速开通、关断的开关管，K1被控制脉冲激励而导通时，输入电压Ui便施加到高频变压器T的原边绕组上．由于变压器T副边的整流二极管D反接，因此副边绕组没有电流流过；当K1截止时，副边绕组上的电压极性颠倒，D正偏，K1导通期间储存在T中的能量便通过D向负载释放．在开关管导通期间变压器储存能量，在开关管截止期间才向负载传递能量．高频变压器可以实现输入与输出部分的电气隔离，在工作中除了起变压作用外，还相当于一个储能用的大电感．

2 基于TOPSwitch的反激式DC/DC变换器设计

主要设计指标：

直流输入电压i= 55 ~ 65 V；直流输出电压o= 6 V；输出电流o= 2 A；工作频率= 132 kHz；最大占空比max= 0.4；电压调整率≤ 1.5 %；负载调整率≤ 1.5 %．

2.1 主电路设计

在反激式DC/DC变换器主电路设计中，变压器设计是主要部分，设计步骤如下．

1) 选择磁芯

根据工作频率和功率，选择EI28磁芯，e= 86 mm2．

2) 计算变压器一次峰值电流

假定电源变换器的最大占空比max= 0.4，变压器一次峰值电流为．

3) 计算反射电压

4) 计算变压器的一次电感量

5) 计算一次绕组匝数

6) 计算二次绕组匝数

7) 计算辅助绕组匝数

为使光耦实现正常反馈，辅助绕组匝数c=8匝．

8) 漆包线选择

选取电流密度= 3 A/mm2，则初级、次级所用漆包线面积分别为S= 0.15 mm2和S= 0.5 mm2．则初次级所需漆包线直径分别为d= 0.44 mm和d= 1.13 mm．

所以，变压器初级选择= 0.4 mm的漆包线，次级选择两根= 0.6 mm的漆包线并绕，辅助绕组选择= 0.4 mm的漆包线．

2.2 反馈控制电路设计

1) 控制电路

TOPSwitch-GX系列是美国Power Integrations(PI)公司开发的新型开关电源芯片，以高性价比将高压MOSFET、PWM控制器、故障自动保护功能及其它控制电路集成到一个硅片上，被广泛应用到开关稳压电源中．TOPSwitch-GX还集成了多项新功能，可以降低系统成本，提高了设计灵活性及效率．它不仅电路简单，而且可靠性高，具有广阔的应用前景．因此，本设计中选用TOP244控制芯片．

芯片中C为控制引脚，将次级输出电压信号反馈接入C脚．D为漏极引脚，与变压器初级相连．S为源极引脚，是功率MOSFET的源极连接点，也是初级控制电路的公共点及参考点．X为外部流限引脚，是外部流限调节、远程开/关控制和同步的输入引脚，连接至源极引脚则禁用此引脚的所有功能．L为线电压检测引脚，作为过压、欠压保护等功能输入引脚，连接至源极引脚则禁用此引脚的所有功能．F为频率管脚，用于选择开关频率的输入脚，将其连接至源极管脚S，开关频率确定为132 kHz[2]．

2) 反馈电路

反馈电路设计采用精密电压基准TL431和光电耦合器PC817配合实现．首先，取1= 470 Ω，根据TL431原理，3、4、o、r满足关系．其中，o为输出电压，r为参考电压2.50 V．令4＝5 kΩ，则．整体电路图见图2．

图2 基于TOPSwitch的反激式DC/DC变换器

3 实验结果

负载电流固定为2 A．输入电压为55 V时，输出电压为O1= 5.95 V；输入电压为65 V时，输出电压为O2= 6.03 V．电压调整率为．

输入电压固定为60 V．负载电流为2 A时，输出电压为O1= 5.99 V；负载电流为1 A时，输出电压为O2= 5.90 V．负载调整率为．

4 结语

采用TOPSwitch-GX芯片设计的反激式DC/DC变换器，能够满足各项设计指标要求，并且与用分立元件设计的开关电源相比，功率开关管MOSFET与控制电路集成在同一芯片内，外围电路更为简单，设计过程得以简化．

[1] 付登萌,陶生桂.基于TOPSwitch的反激式DC/DC电源设计[J].同济大学学报:自然科学版,2004,32(5):680-684.

Design of Flyback DC/DC Converter by Using TOPSwitch

HOU Xiao-yun

(College of Electronic Information Engineering, Hengshui University, Hengshui, Hebei 053000, China)

SMPS is widely applied in computers and other electric equipment, the advantage of which is its small size and high efficiency. The development trend of it is miniaturization. DC/DC converter is the core part of SMPS. A Flyback DC/DC converter using TOPSwitch is designed. Main circuit, control circuit and feedback circuit designs are included. The circuit is manufactured and tested. The experimental results show the output voltage is stable, the circuit is simple, the size is small and the design process is simplified.

Flyback; TOPSwitch; DC/DC converter

(责任编校：李建明 英文校对：李玉玲)

10.3969/j.issn.1673-2065.2015.01.008

TN402

A

1673-2065(2013)04-0026-03

2014-05-04

侯晓云(1984-)，女，河北衡水人，衡水学院电子信息工程学院讲师，工学硕士．