新型TOPSwitch-GX系列电源的PI设计

电源设计需要考虑有关半导体器件、模拟电路、数字电路、电磁特性、电磁兼容性、热力学等多方面。传统设计方法要靠人工来完成，其步骤繁琐、工作量大、效率低。而电源模块SG3525或UC3842的外围电路又较复杂，电路中某个元器件参数稍不合适。电源就不能稳定工作。为此，本文给出了采用PI Expert电源设计软件对电源模块进行设计基本方法。

1 TOPSwitch—GX系列产品的性能特点

PowerIntegration公司在第三代单片开关电源TOPSwitch—FX基础上推出的第四代单片开关电源TOPSwitch—GX系列芯片。其最大输出功率已扩展到290 W。由于将高压功率MOSFET、PWM控制、故障保护和其它控制电路高性价比地集成在单片CMOS芯片上，再加上其可在启动时消除过冲、降低元件应力的软起动、小EMI频率抖动、欠压保护和过压关断、可编程限流和独有的Ecosmart节能等技术。该芯片可大大简化电路设计，缩短设计周期。与TOPSwitch—FX相比，TOPSwitch—GX系列产品有如下优点：

◇ 输出功率可扩展到290 W；

◇ 新增加了线路检测端(L)和从外部设定极限电流端(X)这两个引脚，用于代替TOP-Switch—FX的多功能端(M)的全部控制功能，使用更加灵活、方便；

◇ 具有更高的占空比，输出功率更大、输入电容更小;

◇ 有分开的线路检测端与电流限制端；

◇ 线路前馈缩小了最大占空比，以抑制脉动纹波，并在电网电压较高时起限制作用；

◇ 工作频率提高到132 kHz，减少了变压器和电源的尺寸；

◇ 当开关电源的负载很轻时，能自动将开关频率从132 kHz降低到30 kHz(半频模式下则由66 kHz降至15 kHz)，这样，可降低开关损耗，进一步提高电源效率；

◇ 采用先进的节能技术，功耗低，在110VAC时为80 mW，在230VAC时为160 mW。

2 基于TOPSwitch—GX的多路输出设计

PI Expert电源设计软件是PI公司开发的简单易用、节省时间的创新设计工具。它是一种交互式软件，可以针对相关的硬件芯片、按照使用者提出的电源规范产生具体能量转换方案。PI Ex-pert提供一种直观的、一步一步的设计界面，让使用者分别设定变压器、输入电容参数和所用的PI芯片。完整的电路设计还包括输出电容、钳位二极管等参数选择，电源发热量、电路安全性分析也可以在软件设计中加以考虑。利用PI公司的PI Expert软件开发平台，可以方便地设计开关电源电路、选择电路拓扑、芯片系列、芯片封装、工作频率以及其他相关特性参数。该软件根据用户给定的输入参数、输出参数、优化方式、器件系列等相关信息。通过计算可给出器件变量电源部分元件选择、电源输出参数、变压器结构参数和次级参数等信息。

2．1 设计要求及设计步骤

该系统的设计输入电压AC195～265V，频率50Hz。输出电压24V时，最大输出电流2A；输出电压12 V时，最大输出电流有3 A和1 A两种；输出电压8V时，最大输出电流2A。同时要求输入与输出隔离。并能实现输入欠压和过压保护、可外部设定极限电流等功能。

该系统的设计步骤如下：

(1)打开PI Expert设计软件，新建一个设计文件，从FILE／NEW进入设计文件名的设置，输入设计名“多路输出电源模块”，选择区域后点击OK进入输入输出设置，操作后的界面如图1。  



(2)在输入窗口选择芯片频率和封装，根据所需功率容量选择频率为TOPGX130 kHz。采用Y封装方便安装，有助于散热。输入根据实际选择AC195～265，优化方式为最低成本Cost，此时右侧即出现了设计所需电路图，如图2所示。  



(3)输出设置。根据实际在输出窗口添加输出电24 V；最大输出电流2 A；输出电压12 V，最大输出电流3 A；输出电压12 V，最大输出电流1 A；输出电压8 V，最大输出电流2A。添加后的界面视图如图3所示。



(4)设计结果输出。运行菜单Navigate／AutoDesign后即可输出设计结果。

2．2 高频变压器的选择

变压器设计也可以通过软件来实现。本方案采用了PI Expert软件。计算相当简单，仅需输入相关设计参数，软件就会输出所需的变压器设计参数。初级线圈电感量Lp=382μH；初级匝数Np=32；初级线径AWG20(O．813 mm)三股并绕；反馈绕组匝数NB=3．0；磁芯采用E135，选用铁氧体磁性材料。制作相关参数；气隙Lc=0．30 mm；初级漏感LL=2．9μH；次级24 V／2 A组匝数为6匝，AWG22(O．643 mm)3股并绕；次级12 V／3 A组匝数为3匝，AWG24(0．51 mm)4股并绕；次级12 V／1 A组匝数为3匝，AWG24(0．51 mm)；8 V／2 A组AWG22(0．643 mm)2股并绕。软件给出的参数都是经过一定优化的。实际设计中可优先选用推荐参数，实践证明，这样做是合理。