《基于 PI Expert 的单片开关电源设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于 PI Expert 的单片开关电源设计.doc（5页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、精品论文大集合基于 PI Expert 的单片开关电源设计郁磊，安宝冉，冯岩 中国矿业大学信电学院，江苏徐州 (221008) E-mail: 摘要：PI 公司推出的 TOPSwitch 系列单片开关电源芯片具有高集成度、高性价比、最简 外围电路等特点。与之配套的 PI Expert 软件，功能强大、使用方便，用户可以快速准确地设计优化开关电源。本文基于 PI Expert 设计了一款+12V、2.5A 开关电源，结果表明该电源 简单可靠、输出稳定。关键词：开关电源；变压器；PI Expert1.引言开关电源具有功耗小、体积小和效率高等特点，其在计算机、通信、航天、彩色电视等 方面都得到了越来
2、越广泛的应用1。尤其是单片开关电源的问世，为实现开关电源设计的标 准化和规范化创造了有利条件。但设计一个具有高性价比的开关电源，所涉及的知识面很广， 难度较大。设计人员不仅要掌握各种单片开关电源的工作原理和应用电路，还必须积累丰富 的实践经验。按照传统的设计方法，开关电源要全部靠人工设计，不仅工作量大，效率低， 而且因设计时的变量多，难于准确估算，使得设计结果与实际情况相差较大，需要多次修正。 目前，利用计算机设计开关电源已成为国际上电源领域的一项新技术。PI 公司推出的 PI Expert 专家系统，可以实现开关电源的最优化设计，极大地减轻设计人员的工作量，使开关 电源的设计不再是专家的任务
3、，任何参与系统设计的人员都能设计出自己的开关电源2。2.PI Expert 简介2.1 PI Expert 的主要特点及辅助软件PI Expert 主要有以下特点：1)采用交互式设计模式，具有直观的图形界面，引导用户完成设计。它可帮助用户设置 PI 器件所能提供的先进电源特性，例如过电压和欠电压保护、过热保护、外部电流限 制等。在设计结果中，还包含各种电路的示意图。2)具有优化设计功能，选择低成本优化设计或高效率优化设计。优化设计的过程是首先生 成多种设计方案，然后与 PI 公司编译专家设计的规范数据库进行比较，并给每种设计 方案打分，最后以分数最高的作为最佳设计方案。3)自动生成开关电源的结
4、构框图、部分单元电路和数据结构2。由 PI 公司提供的 PI Expert 设计软件包，除 PI Expert 专家系统外，还包括辅助软件 PI Transformer Design 和 PI Xls Designer。PI Transformer Design 是一种新的工具软件，可根据 变压器供应商的要求生成详细的设计说明，并基于 PI Expert 和 PI Xls Designer 设计软件完 成的设计构建出一种变压器。PI Xls Designer 设计软件为最新推出的 Power Integrations 芯片 组提供设计电子数据表支持，未包括在 PI Expert 设计软件工具之
5、内，同时还提供了 PI 其它 产品的简化电子数据表，以方便喜欢电子数据表界面的高级用户。2.2 PI Expert 专家系统的设计步骤利用 PI Expert 专家系统，可使单片开关电源的设计变得非常容易。PI Expert6.0 专家系 统的设计可分成以下 5 个步骤：- 5 -第 1 步：创建一个新文件。第 2 步：定义开关电源的设计选项。设计选项（Desing Option）包括拓扑结构、PI 器 件系列、封装形式、开关频率和优化类型。第 3 步：输入开关电源的输入类型和输出规格。在输入类型（AC/DC Input Type）选项 卡中，由用户指定开关电源工作时的输入电压类型、电压范围和
6、电网频率。在输出规格（DC Outputs）选项卡中，由用户指定开关电源的输出路数、工作模式及每路输出需要提供的电 压和电流值。第 4 步：定义设计设置。设计设置（Design Settings）选项卡包括文件名、高频变压器 的默认值、优化起点、显示结果时所采用的单位、在新设计中是否显示设置（Design Settings） 面板、以及在完成设计时究竟是先显示设计结果表格还是先显示结构框图。第 5 步：完成设计。单击完成（Finish）按钮，查看为新设计生成的结构框图和完整的 设计结果表格。3.设计实例本文基于 PI Expert 设计了一款+12V、2.5A 开关电源，其输入电压为交流 85
7、265V， 并要求整个电路结构简单、工作可靠。3.1 电路设计按照 PI Expert 专家系统的设计流程，采用自动优化设计，只需几十秒钟即可获得设计 结果。设计完成后的开关电源电路结构框图如图 1 所示。EEL22CLAMP56T6TVout 1: 12.00 V, 2.50 ARTNVin85-265 VACEMI&Cin6T TOP244YD LVbias: 12.0 V, 0.006 AFrom Vout 1RectifierUV/OV ILimCONTROLCFeedbackSecondary TL431S XF图 1 开关电源电路结构框图Fig1 Block Diagram of
8、the SMPS Circuit需要注意的一点是，PI Expert 专家系统可对反馈类型和偏置参数进行选择。反馈电路是连接单片开关电源输出与 PI 器件的桥梁。其作用是将取样电压通过控制环路反馈到 PI 器件 的控制端，通过调节占空比来达到稳压目的。反馈电路有四种类型，但基本类型只有以下两 种：由 TL431 和光耦合器构成的反馈电路，由稳压管和光耦合器构成的反馈电路。TL431 属于可调式精密并联稳压器，其性能远优于普通的齐纳稳压管。PI Expert 专家系统可根据 PI 器件系列产品自动选择反馈类型。3.2 高频变压器设计利用 PI Transformer Designer 可以查看
9、PI Expert 专家系统设计的变压器构造的电特性原 理图和绕制结构图，分别如图 2 和图 3 所示。用户还可以利用 PI Transformer Designer 对变 压器的参数进行修改，使其参数便于用户自制或委托厂家生产出质量合格的高频变压器。本文中，在 PI Expert 专家系统的优化过程时，产生告警信息：次级绕组线规格低于推 荐的最小值（26AWG）。原因是输出电流较大，可以考虑采用并联绕组技术（双线，三线）， 增加变压器尺寸（较大 BW）或减少边距（M）进行修复。图 2 变压器电特性原理图Fig2 Transformer Electrical Diagram图 3 变压器绕制结
10、构图Fig3 Transformer Build Diagram3.3 试验结果3.3.1 纹波测量在额定负载情况下，当输入交流电压在 85VAC265VAC 变化时，实测电路的输出纹 波波形如图 4图 6 所示。从图中可以看出，随着输入电压的增加，纹波有减小的趋势。图 4 85VAC 输入时的输出纹波图 5 115VAC 输入时的输出纹波Fig4 Output Ripple at 85VAC InputFig5 Output Ripple at 115VAC Input图 6 230VAC 输入时的输出纹波Fig6 Output Ripple at 230VAC Input3.3.2 负载突
11、变瞬态响应图 7 和图 8 分别描述了在 115VAC 和 230VAC 输入情况下，负载从 75%突加到 100%， 然后再突减至 75%时的输出电压及负载电流波形。波形表明，该电源的瞬态响应性能较好， 只是在突变瞬间存在些许干扰信号。图 7 115VAC 输入时的瞬态响应图 8 230VAC 输入时的瞬态响应（上图：负载电流；下图：输出电压） （上图：负载电流；下图：输出电压） Fig7 Transient Response at 115VAC InputFig8 Transient Response at 230VAC Input (Top:Load Current;Bottom:Out
12、put Voltage)(Top:Load Current;Bottom:Output Voltage)4.结论TOPSwitch 系列单片开关电源芯片具有单片集成化、外围电路简单、性能指标最佳等特 点，与 PI Expert 软件结合进行开关电源设计，成本低，效率高，能大大缩短开发周期。试 验证明本文所设计的电源具有良好的工作性能，电路结构简单，可靠性高。参考文献1 周志敏，周纪海，纪爱华开关电源实用电路M，北京：中国电力出版社，2006 .2 沙占友单片开关电源计算机辅助设计软件与应用M，北京：机械工业出版社，2007 .3 张刚，刘志刚，岳岱巍等基于 TOPSwitch 及 PI Exp
13、ert 的单端反激式开关电源设计J电源技术应用，2007 年 2 月，第 10 卷第 2 期Design of switching mode power supply based on PI ExpertYu Lei, An Baoran, Feng YanSchool of Information and Electrical Engineering，China University of Mining & Technology，Xuzhou，Jiangsu (221008)AbstractTOPSwitch series supplied by Power Integrations,Inc
14、. achieve the characteristics of simple peripheral circuits, high level of integration and performance price ratio.The related software PI Expert which iseasy to utilize can be applied to design and optimize switching mode power supplies(SMPS)quickly and accurately.A regulated +12VDC at 2.5A SMPS is designed based on PI Expert,the experimentresults show that the SMPS has simple circuit topology,reliable working performance and stable output.Keywords：switching mode power supply; transformer; PI Expert作者简介：郁磊，男，1986 年生，硕士研究生，主要研究方向是控制理论与控制工程。