一款多路输出单端反激式开关电源的电路设计方案

多路输出电源

对于电源应用者来讲，一般都希望其所选择的新巨电源产品为“傻瓜型”的，即所选择的电源电压只要负载不超过电源最大值，无论系统的各路负载特性如何变化，而各路电源电压依然精确无误。仅就这一点来讲，目前绝大多数的多路输出电源是不尽人意的。为了更进一步说明多路输出电源的特性，首先从图1所示多路输出开关电源框图讲起。

从图1可以看到，真正形成闭环控制的只有主电路Vp，其它Vaux1、Vaux2等辅电路都处在失控之中。从控制理论可知，只有Vp无论输入、输出如何变动(包括电压变动，负载变动等)，在闭环的反馈控制作用下都能保证相当高的精度(一般优于0.5%)，也就是说Vp在很大程度上只取决于基准电压和采样比例。对Vaux1，Vaux2而言，其精度主要依赖以下几个方面：

1)T1主变器的匝比，这里主要取决于Np1：Np2或Np1：Np3

2)辅助电路的负载情况。

3)主电路的负载情况注：如果以上3点设定后，输入电压的变动对辅电路的影响已经很有限了。

图1

在以上3点中，作为一个具体的开关电源变换器，主变压器匝比已经设定，所以影响辅助电路输出电压精度最大的因素为主电路和辅电路的负载情况。在开关电源产品中，有专门的技术指标说明和规范电源的这一特性，即就是交叉负载调整率。为了更好地讲述这一问题，先将交叉负载调整率的测量和计算方法讲述如下。

电源变换器多路输出交叉负载调整率测量与计算步骤

1)测试仪表及设备连接。

2)调节被测电源变换器的输入电压为标称值，合上开关S1、S2…Sn，调节被测电源变换器各路输出电流为额定值，测量第j路的输出电压Uj，用同样的方法测量其它各路输出电压。

3)调节第j路以外的各路输出负载电流为最小值，测量第j路的输出电压ULj。

4)按式(1)计算第j路的交叉负载调整率SIL。

SIL=×100%(1)

式中：ΔUj为当其它各路负载电流为最小值时，Uj与该路输出电压ULj之差的绝对值；

Uj为各路输出电流为额定值时，第j路的输出电压。

根据上面的测试及计算方法可以将交叉负载调整率理解为：所有其它输出电路负载跨步变(100%-0%时)对该路输出电压精度影响的百分比。

图2

一款多路输出单端反激式开关电源的电路设计方案

本文设计的开关电源将作为智能仪表的电源，最大功率为10W。为了减少PCB的数量和智能仪表的体积，要求电源尺寸尽量小并能将电源部分与仪表主控部分做在同一个PCB上。

考虑10W的功率以及小体积的因素，电路选用单端反激电路。单端反激电路的特点是：电路简单、体积小巧且成本低。单端反激电路由输入滤波电路、脉宽调制电路、功率传递电路(由开关管和变压器组成)、输出整流滤波电路、误差检测电路(由芯片TL431及周围元件组成)及信号传递电路(由隔离光耦及电阻组成)等组成。本电源设计成表面贴装的模块电源，其具体参数要求如下：

输出最大功率：10W

输入交流电压：85～265V

输出直流电压/电流：+5V，500mA；+12V，150mA；+24V，100mA 纹波电压：≤120mV

单端反激式开关电源的控制原理

所谓单端是指TOPSwitch-II系列器件只有一个脉冲调制信号功率输出端一漏极D。反激式则指当功率MOSFET导通时，就将电能储存在高频变压器的初级绕组上，仅当MOSFET关断时，才向次级输送电能，由于开关频率高达100kHz，使得高频变压器能够快速存储、释放能量，经高频整流滤波后即可获得直流连续输出。这也是反激式电路的基本工作原理。而反馈回路通过控制TOPSwitch器件控制端的电流来调节占空比，以达到稳压的目的。

TOPSwitch-Ⅱ系列芯片选型及介绍

TOPSwitch-Ⅱ系列芯片的漏极(D)与内部功率开关器件MOSFET 相连，外部通过负载电感与主电源相连，在启动状态下通过内部开关式高压电源提供内部偏置电流，并设有电流检测。控制极(C)用于占空比控制的误差放大器和反馈电流的输入引脚，与内部并联稳压器连接，提供正常工作时的内部偏置电流，同时也是提供旁路、自动重起和补偿功能的电容连接点。源极(S)与高压功率回路的MOSFET的源极相连，兼做初级电路的公共点与参考点。内部输出极MOSFET的占空比随控制引脚电流的增加而线性下降，控制电压的典型值为5.7 V，极限电压为9V，控制端最大允许电流为100mA。

在设计时还对阈值电压采取了温度补偿措施，以消除因漏源导通电阻随温度变化而引起的漏极电流变化。当芯片结温大于135℃时，过热保护电路就输出高电平，关断输出极。此时控制电压Vc进入滞后调节模式，Vc端波形也变成幅度为4.7V～5.7V的锯齿波.若要重新启动电路，需断电后再接通电路开关，或者将Vc降至3.3V以下，再利用上电复位电路将内部触发器置零，使MOSFET恢复正常工作。

采用TOPSwitch-Ⅱ系列设计单片开关电源时所需外接元器件少，而且器件对电路板布局以及输入总线瞬变的敏感性大大减少，故设计十分方便，性能稳定，性价比更高。

对于芯片的选择主要考虑输入电压和功率。由设计要求可知，输入电压为宽范围输入，输出功率不大于10W，故选择TOP222G。

电路设计

本开关电源的原理图如图1所示。

电源主电路为反激式，C1、L1、C2，接在交流电源进线端，用于滤除电网干扰，C5接在高压和地之间，用于滤除高频变压器初、次级后和电容产生的共模干扰，在国际标准中被称为“Y 电容”。C1跟C5都称作安全电容，但C1专门滤除电网线之间的串模干扰，被称为“X 电容”。

为承受可能从电网线窜入的电击，可在交流端并联一个标称电压u1mA 为275V 的压敏电阻VSR 。

鉴于在功率MOSFET 关断的瞬间，高频变压器的漏感产生尖峰电压U L ，另外，在原边上会产生感应反向电动势U OR ，二者叠加在

直流输入电压上。典型的情况下，交流输入电压经整流桥整流后，其最高电压V U ax 380Im =，V U L 165≈，V U OR 135=，则V U U U OR L ax 680Im ≈++。这就要求功率MOSFET 至少能承受700V 的高压，同时还必须在漏极增加钳位电路，用以吸收尖峰电压，保护TOP222G 中的功率MOSFET 。本电源的钳位电路由D2、D3组成。其中D2为瞬态电压