2024年1月15日发(作者：)
利用计算机设计单片开关电源讲座第一讲单片开关电源设计概述及程序流程图沙占友，王彦朋，孟志永（河北科技大学，河北石家庄050054）1.设计概述自从20世纪90年代以来，各种单片开关电源集成电路竞相问世，现已形成TOPSwitch、TOPSwitchⅡ、TOPSwitchFX、TOPSwitchGX、TinySwitch和TinySwitchII六大系列近百种型号。它们具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等显著优点，现已成为国际上开发250W以下中、小功率开关电源、精密开关电源及电源模块的优选集成电路。单片开关电源不仅在整机电路设计、高频变压器设计、反馈电路、保护电路和关键元器件的选择方面有许多独到之处，而且特别适合用计算机来完成整个开关电源的设计工作，这已成为国际电源领域的一项新技术。由美国PI（PowerIntegrations）公司开发的PIExpert软件正是采用了这项技术。但是，该软件没有作为商品对外出售，所赠送的光盘也对软件的安装使用次数以及运行时间进行了严格限制，软件的原代码更列为公司的最高机密。此外，PIExpert软件亦存在某些不足之处，突出表现在每种系列产品各对应于一套专门的软件，并且只能对现有产品进行设计。因此，也给用户使用带来一些不便之处。为解决上述问题，促使这项新技术能够在国内迅速推广应用，我们在参考PIExpert的基础上，利用VisualBasic（以下简称VB）语言独立开发出通用性很强的KDPExpert专家系统，为开关电源设计人员提供了一套功能强大而又简便实用的设计软件。该软件不仅适用于TOPSwitch、TOPSwitchⅡ、TOPSwitchFX和TOPSwitchGX系列，还为将来问世的新产品预留出足够的接口。本讲座详细阐述利用计算机设计单片开关电源的新技术以及KDPExpert软件的设计思想，设计方法、界面风格和使用指南。为了叙述方便，下面统一用TOPSwitch来表示TOPSwitch、TOPSwitchⅡ、TOPSwitchFX和TOPSwitchGX系列。2.单片开关电源的两种工作模式单片开关电源有两种基本工作模式：一种是连续模式CUM（ContinuousMode），另一种是不连续模式图1两种模式的开关电流波形（a）连续模式（b）不连续模式DUM（DiscontinuousMode）。这两种模式的开关电流波形分别如图1（a）及图1（b）所示。由图可见，在连续模式下，初级开关电流是从一定幅度开始的，然后上升到峰值，再迅速回零。其开关电流波形呈梯形。这表明在连续模式下，由于储存在高频变压器的能量在每个开关周期内并未全部释放掉，因此下一个开关
周期具有一个初始能量。采用连续模式可减小初级峰值电流IP和有效值电流IRMS，降低芯片的功耗。但连续模式要求增大初级电感量LP，这会导致高频变压器的体积增大。综上所述，连续模式适用于功率较小的TOPSwitch和尺寸较大的高频变压器。不连续模式的开关电流是从零开始上升到峰值，再降至零的。这就意味着储存在高频变压器中的能量必须在每个开关周期内完全释放掉，其开关电流波形呈三角形。不连续模式下的IP、IRMS值较大，但所需要的LP较小。因此，它适合于采用输出功率较大的TOPSwitch，配尺寸较小的高频变压器。3.单片开关电源反馈电路的四种基本类型单片开关电源的电路可以千变万化，但其反馈电路只有四种基本类型：（1）基本反馈电路；（2）改进型基本反馈电路；（3）配稳压管的光耦反馈电路；（4）配TL431的光耦反馈电路。它们的简化电路如图2所示。图2（a）为基本反馈电路，其优点是电路简单，成本低廉，适于制作小型化、经济性开关电源；其缺点是稳压性能较差，电压调整率SV=±1.5％～±2.5％，负载调整率SI≈±5％。图2反馈电路的四种基本类型
（a）基本反馈电路（b）改进型基本反馈电路（c）配稳压管的光耦反馈电路（d）配TL431光耦反馈电路＊当f=130kHz时，Δf=±4kHz；当f=65kHz时，Δf=±2kHz。表1单片开关电源典型产品的技术指标参数名称开关频率最大占空比最小占空比脉宽调制增益控制端电压使能端电压旁路端电压状态控制端开启电压自动重启动频率自动重启动占空比漏极极限电流漏源击穿电压最小值最大输出功率（固定输入）前沿闭锁时间热关断温度上电复位阈值电压漏源导通电阻（Tj=25℃）软启动时间线路欠压阈值电流线路过压阈值电流μA）多功能端电压（IM=50IM=50μμA)线路检测端电压(IL=50(IL=50μ极限电流设定端电压μA)（IX=50IX=50μ开关频率选择端阈值电压开关频率选择端输入电流遥控开/关阈值电流遥控开启延迟时间遥控关断延迟时间极限电流衰减因数频率抖动调制速率频率抖动偏移量符号及单位产品型号TOP227YTNY255P/GTNY256P/GTNY234P/Y/GTOP249Yf(kHz)Dmax(％)Dmin(％)K(％mA)UC(V)UEN(V)UBP(V)USCI(ON)(V)fAR(Hz)DAR(％)ILIMIT(A)U(BR)DS(V)POM(W)ILEB(ns)TOFF(℃)UC(RESET)(V)RDS(ON)(Ω)tSOFT(ms)IUV(μA)IOV(μA)UM(V)UL(V)UX(V)UF(V)IF(μA)IREM(μA)IR(ON)(μs)IR(OFF)(μs)KIfM(次/s)Δf(kHz)100671.7－165.713/65781.5－225.8132/6678－235.81.455.81.253.353.32.6230.281.455.81.040.5515.61.553.35.210502252.601.045.403.01.310502252.502.501.332.922－352.52.50.4～1.0250±5±4/±2＊2.940－272.52.50.3～1.0250±4/±2图2（b）为改进型基本反馈电路，只需增加一只稳压管VDZ和电阻R1，即可使负载调整率达到±2％。VDZ的稳定电压一般为22V，必须相应增加反馈绕组的匝数，以获得较高的反馈电压UFB，满足电路的需要。图2（c）是配稳压管的光耦反馈电路。由VDZ提供参考电压UZ，当输出电压UO发生波动时，在光
耦内部的LED上可获得误差电压。因此，该电路相当于给TOPSwitch增加一个外部误差放大器，再与内部误差放大器配合使用，即可对UO进行调整。这种反馈电路能使电压调整率达到±1％以下。图2（d）是配TL431的光耦反馈电路，其电路较复杂，但稳压性能最佳。这里用TL431型可调式精密并联稳压器来代替普通的稳压管，构成外部误差放大器，进而对UO作精细调整，可使电压调整率和负载调整率均达到±0.2％，能与线性稳压电源相媲美。这种反馈电路适于构成精密开关电源。在设计单片开关电源时，应根据实际情况来选择合适的反馈电路，才能达到规定的技术指标。4.单片开关电源典型产品的主要技术指标详见表1。5.用计算机设计单片开关电源的程序流程图设计高性价比的开关电源，所涉及的知识面很广。设计人员不仅要掌握各种TOPSwitch系列产品的工作原理和应用电路，还必须了解有关通用及特种半导体器件、模拟与数字电路、电磁兼容性、热力学等方面的知识。按照传统方法，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，还需多次反复修正。单片开关电源的问世，使开关电源的设计能实现标准化和规范化。而利用计算机来设计开关电源，还能充分发挥高科技的优势，极大地减轻设计人员的工作量并可实现最优化设计。开关电源的优化设计是由三部分组成的：（1）一组完整的程序流程图；（2）一套简单实用的设计程序；（3）一套正确的“电子数据表格”。表中的信息包括输入数据（已知条件）、中间变量和最终结果。图3开关电源的基本电路
图4设计步骤1－11的程序流程图图5设计步骤12－24的程序流程图
图6设计步骤25－35的程序流程图全部计算过程就是用计算机进行数据处理。设计完毕时，电子数据表格也就自动生成了。上述过程可用程序流程图形象地表示出来。由TOPSwitch构成开关电源的基本电路如图3所示。下面就以该电路为例，介绍用计算机设计开关电源时的全部程序流程图，详见图4－图6。现将整个设计过程分成4个阶段，共35个步骤（详见下期第二讲）：（1）步骤1－步骤2：确定总体设计方案，选择反馈电路类型；（2）步骤3－步骤11：选择TOPSwitch芯片。为降低成本，要求芯片既能满足输出功率的指标，又不留出过多余量；（3）步骤12－步骤24：设计高频变压器。它应符合技术要求且外形尺寸为最小；（4）步骤25－步骤35：选择外围电路中的关键元器件。
利用计算机设计单片开关电源讲座第二讲利用计算机设计单片开关电源的方法与步骤沙占友，孟志永，王书海（河北科技大学，河北石家庄050054）下面对35个设计步骤作详细的阐述。[步骤1]确定开关电源的基本参数（1）交流输入电压最小值：Umin，见表1。（2）交流输入电压最大值：Umax，见表1。表1根据交流输入电压范围确定Umin、Umax值交流输入电压U（V）固定输入：100/115通用输入：85～265±15％固定输入：230230±（3）电网频率fL：50Hz或60Hz。表2反馈电路的类型及UFB参数值反馈电路类型基本反馈电路改进型基本反馈电路配稳压管的光耦反馈电路配TL431的光耦反馈电路（4）开关频率f：100kHz。（5）输出电压UO（V）：已知。（6）输出功率PO（W）：已知。（7）电源效率η：一般取80％，除非有更好的数据可用。（8）损耗因数Z：Z代表次级损耗与总功耗的比值。典型值为0.5。[步骤2]根据输出要求，选择反馈电路的类型以及反馈电压UFB详见表2。可从4种反馈电路中选择一种合适的电路，并确定反馈电压UFB的值。[步骤3]根据U、PO值来确定输入滤波电容CIN、直流输入电压最小值UImin（1）令整流桥的响应时间tc=3ms。（2）根据输入电压，从表3中查出CIN值。（3）得到UImin的值。UFB（V）UO的准确度（％）SV（％）5.727.71212±10±5±5±1±1.5±1.5±0.5±0.2SI（％）±5±2.5±1±0.2Umin(V)8585195Umax(V)132265265
表3确定CIN、UImin的值交流输入电压U（V）固定输入：100/115通用输入：85～265±15％固定输入：230230±PO（W）已知已知已知比例系数（μF/W）2～32～31μF)CIN(CIN(μ(2～3）×PO(2～3）×PO1×POUImin(V)≥90≥90≥240[步骤4]根据交流输入电压U确定初级感应电压UOR、钳位二极管反向击穿电压UB值（1）根据输入电压，从表4中查出UOR、UB值。（2）步骤25将用到UB值来选择瞬变电压抑制器（TVS）的型号。（3）TOPSwitch关断且次级电路处于导通状态时，次级电压会感应到初级。感应电压UOR与UI相叠加后，加至内部功率开关管（MOSFET）的漏极上。此时初级漏感释放能量，并在漏极上产生尖峰电压UL。由于上述不利情况同时出现，极易损坏芯片，因此需给初级增加钳位保护电路。利用TVS器件来吸收尖峰电压的瞬间能量，使上述三种电压之和不超过漏－源击穿电压U（BR）DS值。表4确定UOR、UB值U（V）固定输入：100/115通用输入：85～265±15％固定输入：230230±[步骤5]根据UImin和UOR来确定最大占空比DmaxDmax的计算公式为：Dmax=×100％（1）UOR(V)60135135UB(V)90200200（1）MOSFET的通态漏－源电压UDS（ON）=10V。（2）应在U=Umin时确定Dmax。若将UOR=135V、UImin=90V、UDS(ON)=10V一并代入式（1），可计算出Dmax=64.3％，这与典型值67％非常接近。Dmax随着U的升高而减小，例如当U=Umax=265V时，Dmax=34.6％。[步骤6]确定初级脉动电流IR与初级峰值电流IP的比值KRP定义比例系数KRP=IR/IP（2）（1）当U确定之后，KRP有一定的取值范围。在110V/115V或宽范围电压输入时，可选KRP=0.4，当230V输入时，取KRP=0.6。（2）在整个迭代过程中，可适当增大KRP的值，但不得超过表5中规定的最大值。表5确定KRPU（V）固定输入：100/115通用输入：85～265±15％固定输入：230230±KRP最小值（连续模式）0.40.40.6最大值（不连续模式）1.01.01.0
[步骤7]确定初级波形参数计算下列参数（电流单位均取A）：（1）输入电流的平均值IAVGIAVG=（2）初级峰值电流IPIP=（3）初级脉动电流IR〔可由式（2）求得〕（4）初级有效值电流IRMSIRMS=IP（5）（4）（3）[步骤8]根据电子数据表格和所需IP值，选择TOPSwitch芯片（1）所选极限电流最小值ILIMIT(min)应满足0.9ILIMIT(min)≥IP（2）若芯片散热不良，则选功率稍大些的芯片。[步骤9和步骤10]计算芯片的结温Tj（1）计算结温Tj=〔IRMS2×RDS(ON)＋CXT(UImax＋UOR)2f〕·RθA＋25℃（7）（6）式中：CXT是漏极结点的等效电容。括号内第二项代表当交流输入电压较高时，由于CXT不断被充放电而引起的开关损耗，可用PCXT表示。（2）计算过程中若发现Tj>100℃，应选功率较大的TOPSwitch芯片。[步骤11]验算IPIP=0.9ILIMIT(min)（1）输入新的KRP值且从最小值开始迭代，直到KRP=1.0。（2）检查IP值是否符合要求。（3）迭代KRP=1.0或IP=0.9ILIMIT（min)。[步骤12]计算初级电感量LPLP=式中：LP的单位取μH。[步骤13]选择磁芯与骨架并确定相关参数从厂家提供的磁芯数据表中查出适合该输出功率的磁芯型号，以及有效截面积（SJ）、有效磁路长度（l）、等效电感（AL）、骨架宽度（b）等参数值。[步骤14]设定初级层数d和次级匝数NS的初始值设定d=2层。当U=85V～265V时取NS=0.6匝；再用迭代法计算NS；亦可根据次级每伏匝数和UF1值，直接计算NS值（参见步骤15）。在步骤15至步骤22中必须确定高频变压器的9个主要参数：初级电感量LP，磁芯气隙宽度δ，初级匝数（9）（8）
NP，次级匝数NS，反馈绕组匝数NF，初级裸导线直径DPm，初级导线外径DPM，次级裸导线直径DSm和次级导线外径DSM。上述参数中，除LP可直接用公式单独计算外，其余参数都是互相关联的，因此通常从次级匝数开始计算。另外鉴于反馈绕组上的电流很小（一般小于10mA），对其线径要求不严，因此不需计算导线的内、外直径。[步骤15]计算次级匝数NS对于230V或宽范围输入应取0.6匝/V，现已知UO=7.5V，考虑到在次级肖特基整流管上还有0.4V的正向压降UF1，因此次级匝数为(UO＋UF1)×0.6=4.74匝。由于次级绕组上还存在导线电阻，也会形成压降，实取NS=5匝。下面就以该数据作为初始值分别计算其余7个参数。[步骤16]计算初级匝数NPNP=NS×（10）将UOR=85V，UO=7.5V，UF1=0.4V，NS=5匝一同代入式（10），计算出NP=53.8匝。实取54匝。[步骤17]计算反馈绕组匝数NFNF=NS×（11）将NS=5匝，UFB=10.4V，UF2=0.7V，UO=7.5V，UF1=0.4V代入式（11），计算出NF=7.03匝。实取7匝。[步骤18]根据初级层数d、骨架宽度b和安全边距M，计算有效骨架宽度bE（单位是mm）bE=d(b－2M)将d=2，b=8.43mm，M=0代入式（12），求得bE=16.86mm。再计算初级导线的外径（带绝缘层）DPMDPM=（13）（12）将bE=16.86，NP=54匝代入式（13），求得DPM=0.31mm。扣除漆皮后裸导线的内径DPm=0.26mm。[步骤19]验证初级导线的电流密度J是否满足初级有效值电流IRMS=0.32A之条件J==（14）将DPm=0.26mm、IRMS=0.32A代入式（14），得到J=6.06A/mm2。电子数据表格中实取6.17A/mm2。若J>10A/mm2，应选较粗的导线和较大的磁芯骨架，使J<10A/mm2。若J<4A/mm2，应选较细的导线和较小的磁芯骨架，使J>4A/mm2；亦可适当增加NP的匝数。[步骤20]计算磁芯中的最大磁通密度BMBM=（15）将IP=0.74A，LP=623μH，NP=54匝，磁芯有效横截面积SJ=0.41cm2代入式（15），计算出BM=0.2082T。电子数据表中实取0.2085T。需要指出，若BM>0.3T，则需增加磁芯的横截面积或增加初级匝数，使BM在0.2～0.3T范围之内。如BM<0.2T，就应选择较小的磁芯或减小NP值。[步骤21]计算磁芯的气隙宽度δδ=40πSJ（16）
式中δ的单位是mm。将SJ=0.41cm2，NP=54匝，LP=623μH，磁芯不留间隙时的等效电感AL=2.4μH／匝2代入式（16），计算出δ=0.22mm。气隙δ应加在磁芯的磁路中心处，要求δ≥0.051mm。若δ小于此值，需增大磁芯尺寸或者增加NP值。[步骤22]计算留有气隙时磁芯的等效电感ALGALG=（17）将LP=623μH，NP=54匝，代入式（17），得到ALG=0.214μH／匝2。电子数据表中实取0.215μH／匝2。需要说明两点：（1）ALG值必须在选好NP值以后才能确定。（2）如上所述，高频变压器的设计是一个多次迭代的过程。例如当NP改变后，NS和NF的值也一定会按一定的比例变化。此外，在改变磁芯尺寸时，需对J、BM、δ等参数重新计算，以确信它们仍在给定的范围之内。这表明若计算结果与电子数据表格中的数值略有差异，也属正常现象，因二者迭代过程未必完全一致。[步骤23]确定次级参数ISP、ISRMS、IRI、DSM（1）计算次级峰值电流ISP次级峰值电流取决于初级峰值电流以及初、次级匝数比，有公式ISP=IP×将IP=0.74A，NP=54匝，NS=5匝代入式（18），得到ISP=7.99A。（2）计算次级有效值电流ISRMS次级纹波电流与峰值电流的比例系数KRP与初级完全相同，区别仅是对次级而言，KRP反应的是次级电流在占空比为（1－Dmax）时的比例系数。因此，计算次级有效值电流ISRMS时，须用下面公式：ISRMS=ISP表6选择钳位二极管和阻塞二极管U（V）固定输入：100/115通用输入：85～265±15％固定输入：230230±钳位电压UB（V）90200200钳位二极管P6KE91(91V/5W)P6KE200(200V/5W)P6KE200阻塞二极管BYV26B(400V/1A)BYV26C(600V/1A)BYV26C（19）（18）将ISP=7.99A，Dmax=51％，KRP=0.92代入式（19），求得ISRMS=3.35A。电子表格中的计算结果为3.36A。（3）计算输出滤波电容上的纹波电流IRIIRI=将ISRMS=3.36A，IO=2A代入式（20），求得IRI=2.70A。最后计算次级裸导线直径，有公式（20）
DSm=1.13（21）将ISRMS=3.36A，J=5.18A／mm2代入式（21），求得DSm=0.91mm。实选 0.900mm的公制线规。需要指出，当DSm>0.4mm时，应采用 0.4mm的两股导线双线并绕NS匝。与单股粗导线绕制方法相比，双线并绕能增大初级绕组的等效横截面积，改善磁场耦合程度，减小磁场泄漏及漏感。此外，用双线并绕方式还能减小次级导线的电阻值，降低功率损耗。若选用三重绝缘线来绕制初级绕组，则导线外径（单位是mm）的计算公式为：DSM=（22）将b=8.43mm，M=0，NS=5匝代入式（22），求得DSM=1.69mm。可选导线直径DSm≥0.91mm而绝缘层外径DSM≤1.69mm的三重绝缘线。[步骤24]确定次级整流管、反馈电路整流管的最高反向峰值电压U（BR）S、U（BR）FB有公式：U（BR）S=UO＋UImax·U（BR）FB=UFB＋UImax·（23）（24）将UO=7.5V，UFB=10.4V，UImax=375V，NS=5匝，NP=54匝，NF=7匝，分别代入以上两式，求得U(BR)S=42.2V，U（BR)FB=59V。这与电子表格中给出的结果完全相同。[步骤25]选择钳位二极管和阻塞二极管见表6。对于低功率的TOP200、TOP201、TOP210型单片开关电源，可选UB=180V的瞬变电压抑制器。[步骤26]选择输出整流管输出整流管宜采用肖特基二极管，此类管子的压降低、损耗小，能提高电源效率。典型产品有MOTOROLA公司生产的MBR系列。要求管子的最高反向工作电压URM≥2U（BR）S，〔U（BR）S为整流管实际承受的最大反向峰值电压〕；其标称电流IF1≥3IO(IO为最大连续输出电流)。肖特基二极管的最高反向工作电压一般不超过100V，仅适合做低压、大电流整流用。当UO≥30V时，需用耐压100V以上的超快恢复二极管来代替肖特基二极管，此时电源效率会略有下降。[步骤27]利用步骤23得到的IRI，选择输出滤波电容COUT（1）滤波电容在105℃、100kHz时的纹波电流应≥IRI。（2）要选择等效串联电阻很低的电解电容器。等效串联电阻的英文缩写为ESR，符号为r0。它表示在电容器的等效电路中，与之相串联的代表电容器损耗的等效电阻，简称串联损耗电阻。输出的纹波电压URI由下式决定：URI=ISP·r0式中的ISP由步骤23得到。（3）为减小大电流输出时的纹波电流IRI，可将几只滤波电容并联使用，以降低电容总的r0值和等效电感L0。（4）COUT的容量与最大输出电流IOM有关。例如，当UO=5～24V、IOM=1A时，COUT取330μF/35V；（25）
IOM=2A时COUT应取1000μF/35V。[步骤28～29]当输出端的纹波电压超过规定值时，应再增加一级LC滤波器（1）滤波电感L=2.2μH～4.7μH。当IOM小于1A时可采用由非晶合金磁性材料制成的磁珠；大电流时须选用磁环绕制而成的扼流圈。（2）为减小L上的压降，宜选较大些的滤波电感或增大线径。通常可取L=3.3μH。（3）滤波电容C取120μF/35V，要求其r0很小。[步骤30]选择反馈电路中的整流管见表7。表中的URM为整流管最高反向工作电压，U（BR）FB是由步骤24得到的，要求：URM≥1.25U（BR）FB[步骤31]选择反馈滤波电容应取0.1μF/50V的陶瓷电容器。表7选择反馈电路中的整流管整流管类型玻封高速开关硅二极管超快恢复二极管UF4003[步骤32]选择控制端电容及串联电阻控制端电容一般取47μF/10V，普通电解电容即可。与之相串联的电阻可选6.2Ω/0.25W。在不连续模式下可去掉此电阻。[步骤33]按从表2中选定的那种反馈电路，选取元器件值。[步骤34]选择输入整流桥（1）整流桥的反向击穿电压UBR应满足下式要求：UBR≥1.25Umax（27）200GI公司整流管型号IN4148BAV21最高反向工作电压URM（V）75200生产厂家国产Philips公司（26）式中的Umax值从第步骤1得到。（2）设输入有效值电流为IRMS，整流桥额定的有效值电流为IBR，应当使IBR≥2IRMS。计算IRMS的公式如下：IRMS=（28）式中：cosφ为开关电源的功率因数，一般为0.5～0.7。若无可信的数据，可选cosφ=0.5。[步骤35]设计完毕
利用计算机设计单片开关电源讲座第三讲单片开关电源设计要点及电子数据表格沙占友，庞志峰，张苏英（河北科技大学，河北石家庄050054）1.单片开关电源的设计要点1.1电源效率的选定开关电源效率（η）是指其输出功率（Po）与输入功率（Pi）（即总功率）的百分比。需要指出，单片开关电源的效率随输出电压（Uo）的升高而增加。因此，在低压输出时（Uo=5V或3.3V），η可取75％；高压输出时（Uo≥12V）,η可取85％。在中等电压输出时（Uo>5V），因电源效率η=Po／Pi，故开关电源的总功耗PD=PI－PO（1）PD中包括次级电路功耗和初级电路功耗。重要的是应知道初、次级功耗是如何分配的。损耗分配系数（Z）即反映出这种关系。设初级功耗为PP，次级功耗为PS，则PP＋PS=PD，Z=PS／PD，而1－Z=PP／PD。需要注意的是，次级功耗与高频变压器传输功率的大小有关，而初级钳位二极管的功耗应归入次级功耗之中。这是因为输入功率在漏极电压被钳位之前，已被高频变压器传输到次级的缘故。1.2如何计算输入滤波电容的准确值输入滤波电容的容量是开关电源的一个重要参数。CIN值选的过小，会使UImin值大大降低，而输入脉动电压UR却升高。但CIN值取得过大，会增加电容器成本，而且对于提高UImin值和降低脉动电压的效果并不明显。下面介绍计算CIN准确值的方法。交流电压u经过桥式整流和CIN滤波，在u=umin情况下的输入电压波形如图1所示。该图是在PO=POM，fL=50Hz（或60Hz）、整流桥的响应时间tc=3ms、η=80％的情况下绘出的。由图可见，在直流高压UImin上还要叠加上一个幅度为UR的初级脉动电压，这是CIN在充放电过程中形成的。欲获得CIN的准确值，可按下式进行计算：CIN=（2）图1交流电压为最小值时的输入电压波形图2正向恢复时间的电压波形
图3TOPSwitchⅡ等系列在230V交流输入时各电压参数的电位分布举例说明，在宽范围电压输入时，umin=85V。取UImin=90V，fL=50Hz，tc=3ms，假定PO=30W，η=80％，一并带入式（2）中求出CIN=84.2μF，比例系数CIN／PO=84.2μF／30W=2.8μF／W，这恰好在（2～3）μF／W允许的范围之内。1.3初级各电压参数的电位分布情况下面详细介绍输入直流电压的最大值UImin、初级感应电压UOR、钳位电压UB与UBM、最大漏极电压UDmax、漏 源击穿电压U(BR)DS这6个电压参数的电位分布情况，使读者能有一个定量的概念。对于TOPSwitchⅡ系列单片开关电源，其功率开关管的漏源击穿电压U(BR)DS≥700V，现取下限值700V，其感应电压UOR=135V。本来初级钳位二极管的钳位电压UB只需取135V，即可将叠加在UOR上由漏感而造成的尖峰电压吸收掉，实际却不然。手册中给出UB参数值仅表示工作在常温、小电流情况下的数值。实际上钳位二极管（即瞬态电压抑制器TVS）还具有正向温度系数，它在高温、大电流条件下的钳位电压UBM要远高于UB。实验表明，二者存在下述关系：UBM≈1.4UB（3）这表明UBM大约比UB高40％。此外，为防止钳位二极管对初级感应电压UOR也起到钳位作用，所选用的TVS钳位电压应按下式计算：UB=1.5UOR（4）此外，还须考虑与钳位二极管相串联的阻塞二极管VD1的影响。VD1一般采用超快恢复二极管（SRD），其特征是反向恢复时间（trr）很短。但是VD1在从反向截止到正向导通过程中还存在着正向恢复时间（tfr），还需留出20V的电压余量。正向恢复时间定义为：给二极管施加一个正向瞬态电压，使之从电流为零的反向电压偏置状态转入正向电压偏置状态，直到管子的正向电压恢复到规定值所需要的时间间隔。设二极管正向压降的典型值为UF，这里讲的规定值即为1.1UF。正向恢复时间的电压波形如图2所示。由图可见，当给二极管加上正向瞬态电压时，管子由截止状态转变成导通状态的过程如下：管子的正向电压首先要从零上升到0.1UF，然后达到峰值电压UFM，再下降到1.1UF。规定从0.1UF恢复到1.1UF所需时间，即为正向恢复时间。需要注意，正向恢复时间（tfr）和反向恢复时间（trr）属于两个性质不同的特征参数。考虑上述因素之后，TOPSwitchⅡ的最大漏源极电压的经验公式应为：UDmax=UImax＋1.4×1.5UOR＋20V（5）TOPSwitchⅡ各系列在230V交流固定输入时，初级电压参数对应于波形的分布情况如图3所示。此时u=230V±35V，即umax=265V，UImax=umax≈375V，UOR=135V，UB=1.5UOR≈200V，UBM=1.4UB=280V，
UDmax=675V，最后再留出25V的电压余量，因此U(BR)DS=700V。实际上U(BR)DS也具有正向温度系数，当环境温度升高时U(BR)DS也会升高，上述设计就为芯片耐压值提供了额外的余量。1.4根据IP值选择芯片的方法单片开关电源的极限电流最小值ILIMIT（min)，均是针对室温情况下定义的。若芯片工作在比较高的温度下，其额定值应减小10％，因此通常取初级峰值电流IP=0.9ILIMIT（min)。这表明在选择芯片时，可先将IP除以0.9，转换成ILIMIT（min)值，从有关参数表中查出符合上述要求且与该数值最为接近的TOPSwitch芯片。在PO确定之后，采用连续模式能降低IP，允许使用功率较小的芯片。若要减小磁芯及高频变压器的尺寸，应适当增加初级脉动电流IR与峰值电流IP的比值KRP。KRP的取值范围是0～1.0。KRP愈大，磁芯尺寸愈小，其代价是需采用输出功率较大的芯片。另外，增大KRP值还意味着开关电源要向不连续模式过渡，此时初级电感量LP↓，IP↑，IRMS↑，导致η↓。因此，在选择KRP值时应权衡利弊，要在减小磁芯尺寸与保证尽量高的效率这二者之间，确定最优设计方案。2.电子数据表格的结构在用计算机设计单片开关电源时，需借助于电子数据表格才能完成。这种表格的内容以高频变压器设计为主，其它外围电路及关键元器件参数计算为辅。单路输出式开关电源的电子数据表格共分6列。A列代表输入和输出的参数。B列中是由用户输入的数据。C列为计算过程中保留的数据，这些数据可作为中间变量，在前、后设计步骤中交叉使用。D列为计算结果。E列给出的是单位（SI制）。F列是对参数的说明。举例说明：由TOP222Y构成的7.5V、15W单片开关电源模块，其交流输入电压范围是85V～265V，电压调整率SV=±0.5％（85V～265V），负载调整率SI=±1％（负载电流从满载的10％变化到100％），输出纹波电压最大值为±50mV。表1给出该模块所对应的电子数据表格，可供读者在设计开关电源时参考。需要指出，在设计和使用电子表格时，还可根据实际电路的要求，适当增加一些参数。例如在第16行下面插入TOPSwitch的极限电流最大值ILIMIT（max)参数，并注明由此选定的芯片型号，作为新的17行，原17行就改为18行，依次顺延。表中预留出的空行也是专为插入新参数而设置的。
表1设计7.5V、15W开关电源用的电子数据表格A171819UORUDS(ON)UF1UF285100.40.7输入TOPSwitch的变量VVVV初级绕组的感应电压TOPSwitch的漏－源导通电压次级肖特基整流管正向压降反馈电路中高速开关整流管正向压降初级脉动电流IR与峰值电流IP的比例系数参数uminumaxfLfUOPOηZUFBtcCIN输入数据85265501007.515800.510.43.233VmsμFBC中间过程保留数据D输出计算结果VVHzkHzVW％E单位F参数说明7.5V、15W开关电源交流输入电压最小值交流输入电压最大值电网频率开关频率直流输出电压输出功率电源效率损耗分配系数反馈电压整流桥响应时间输入滤波电容26272829KRP0.92％输入高频变压器的结构参数EE22SJlALbMd0.413.962.48.4302cm2cmμH/匝mmmm层铁氧体磁芯型号磁芯有效横截面积有效磁路长度磁芯不留间隙时的等效电感骨架宽度安全边距（安全边界宽度）初级绕组层数
36373839464748495657585960NS5匝次级匝数直流输入电压参数UIminUImax93375VV直流输入电压最小值直流输入电压最大值初级电流波形参数DmaxIVAGIPIRIRMS510.200.740.680.32％AAAA最大占空比（对应于umin时）输入电流的平均值初级峰值电流初级脉动电流初级有效值电流变压器初级设计参数LPNPNFALGBMBACμδαDPMeDPm公制线径SPJ0.05160.670.050.26 0.28016.850.310.095918450.22mmmmmmmmmmmmmm2A/mm20.2150.2085623547μH匝匝μH/匝TT初级电感量初级绕组匝数反馈绕组线数磁芯留间隙后的等效电感最大磁通密度（BM=0.2～0.3T）磁芯损耗交流磁通密度（峰 峰值×0.5）磁芯无气隙时的相对磁导率磁芯的气隙宽度（δ≥0.051mm）有效骨架宽度初级导线的最大外径（带绝缘层）估计的绝缘层总厚度（厚度×2）初级导线的裸线直径初级导线规格初级导线的横截面积电流密度J=(4～10A)/mm2变压器次级设计参数
66768697ISPISRMSIOIRI7.953.362.002.70AAAA次级峰值电流次级有效值电流直流输出电流输出滤波电容上的纹波电流SSmin公制线径DSmDSMNSS0.546 0.9000.911.690.39mm2mmmmmmmm次级线圈最小横截面积次级导线规格次级导线最小直径（裸线）次级导线最大直径（带绝缘层）次级绝缘最大厚度电压极限参数UDmaxU(BR)SU(BR)FB5734259VVV最高漏极电压估算值（包括漏感的作用）次级整流管最高反向峰值电压反馈电路整流管的最高反向峰值电压
利用计算机设计单片开关电源讲座第四讲KDPExpert专家系统的设计与使用指南沙占友，王晓君，邢艳华(河北科技大学，河北石家庄050054）摘要：首先介绍了KDPExpert专家系统的主要特点，然后详细阐述其软件设计和维护，最后介绍使用方法及注意事项。关键词：软件；VB语言；软面板；元件库；维护；使用DesignandUseGuideofKDPExpertSystemSHAZhan-youWANGXiao-junXINGYan-huaAbstract:FirstlythemaincharactersofKDPExpertsystemareintroduced,secondlythesoftwaredesignandmaintenanceareexpoundedinparticular,ds:Software;VBlanguage;Softpanel;Componentslibrary;Maintenance;Use中图分类号：TN86文献标识码：A文章编号：0219－2713(2002)1·2－0053－ert专家系统的主要特点开关电源的设计是多个变量的迭代过程，不断地调整这些变量，最终可实现优化设计。为了便于处理这些变量，我们采用了基于Windows交互式可视化集成开发环境的VB（VisualBasic6.0），开发出功能和通用性都很强的KDPExpert专家系统。该软件设计了5个常用的软面板和2个元件库（芯片库与磁芯库），采用中文界面，技术参数完全符合我国的国家标准和国际单位制。它具有类似于“傻瓜相机”的特点，使用起来非常方便，初学者只要输入电源参数并选择好TOPSwitch芯片和高频变压器磁芯等关键参数，即可将设计结果显示出来。整个设计过程仅需几分钟。为使专业技术人员能够获得最佳性能指标，该软件还提供了一套高级参数软面板，包括反馈参数选择面板，输出整流二极管选择面板，反馈输出电压面板以及变压器高级参数面板。软面板的层次结构如图1所示。下面按照软面板的层次结构，详细介绍KDPExpert专家系统的软件设计和使用方法。
图1KDPExpert软面板的结构层次ert软件的设计2.1主面板的设计所谓主面板，就是KDPExpert运行之后在计算机窗口首先显示的面板。利用该面板可对设计文件完成初始设定，并可实现文件的存取、复制及打印功能，还可查阅版本及帮助信息等。同时，主面板也作为软件运行的总体环境。菜单编辑器主要包括5部分：——文件（＆F）：新建（＆N），打开（＆O），保存（＆S），另存为（＆A），打印（＆P），当前设计，关闭当前设计(＆C)，退出(＆X)；——视图(＆V)：工具栏(＆T)，状态栏(＆B)；——选项：根据各地电网电压范围定义地区（亚太地区、欧洲和美国），确定SI单位；——数据库更新(＆R)；——帮助(＆H)：搜索帮助主题(＆S)，版本信息(＆C)，关于(＆A)KDP设计专家。KDP设计专家主面板如图2所示。图2KDP设计专家主面板
2.2电源参数设置面板的设计电源参数设置面板如图3所示。其主要控件及其说明如下：图3电源参数设置面板Combobox控件：Combo1属性：List：成本优化Combo1属性：List：TOP22×TOPFX23×（开关频率选135kHz）TOPFX23×（65kHz）TOPGX24×（135kHz）TOPGX24×（65kHz）Command控件：Command17属性：Visible：False几点说明：——Command17的作用是为了避免原代码的重复键入，每当电压输入和电流输入文本框中的数值改变时，都会触发Command17－Click事件，从而达到了避免原代码重复键入的目的。——该面板中的“下一步”按钮、“高级参数”按钮和“改变”按钮都会调用一个新的面板。在Windows操作环境下允许在同一桌面中显示多个面板，鼠标点击后的面板即为当前面板。只有主面板覆盖整个桌面，其余面板较小。
2.3选择TOPSwitch芯片面板的设计该面板如图4所示。图4TOPSwitch芯片选择面板——该面板利用Data控件调用了位于C:Windows1目录下的库文件，该库文件用Excel制作完成。库中包括5个电子数据表格。表1仅列出TOPSitch-GX库（开关频率选135kHz）的内容。表1TOPSwitch-GX库（开关频率选135kHz）型号TOP242YTIP243P/GTOP244P/GTOP243YTOP244YTOP245YTOP246YTOP247YTOP248YTOP249YILIMIT(min)/A0.420.70.930.841.261.672.513.354.195.02ILIMIT(max)/A0.480.81.070.961.451.932.893.854.825.78230V输入：Pmax/W222535205250宽范围输入：Pmax/W——为实现元件的自动选择功能，现将MSFLexGrid控件的Index属性设置为0，使得当加载该面板时，MSFLexGrid控件能直接得到焦点，再由MSFLexGrid-GotFocus事件触发自动选择程序，即可实现元件的自动选择。——以Text11控件作为标志，在MSFLexGrid得到焦点时先判断该标志，仅当标志符合设定条件时，自动选择程序才执行。否则，跳过自动选择程序。
TOPSwitch芯片选择的主流程图如图5所示。TOPSwitch芯片的自动选择功能是通过下述程序来实现的：图5TOPSwitch选择流程图PrivateSubGrid1_GotFocus（）DimDimDimDimDimDimKRPiIP1TjIRMSPcxtIfVal()=1ThenGotoLoop99'根据输入交流电压类型来选择KRP的初始值=TrueThenGotoLoop2Loop1KRP=0.4GotoLoop3Loop2KRP=0.6Loop3IfKRP>=1ThenGotoLoop10'设定循环范围Fori===5
'计算结温Tj值Irms=＊Sqr(＊(KRP^2/3-KRP＋1))Pcxt=0.1245＊(＋)^2/1000000_＊/1000000Tj=(Irms^2＊＋Pcxt)＊20'判断结温Tj是否符合要求，若不符合则重新选择芯片IfTj<140ThenGotoLoop4Nexti'在当前KRP值下若找不到合适的芯片，则对KRP进行迭代KRP=KRP＋0.05GotoLoop3'找到合适的芯片后检查是否超出电流极限Loop4IP1=/(1－0.5KRP)/_/0.8/==iIfVal() 图6高频变压器磁芯选择面板——该面板利用Data控件调用了位于C:Windows1目录下的库文件，该库文件用Excel制作完成。库中包括2个电子数据表格，其中，设有安全边界的磁芯库见表2。表2设有安全边距的磁芯库主要技术参数磁芯型号Pmax/WE16/8/5/(EF16）ME20/10/6/(EF20)ME25/13/7(EF25)ME30/15/7METD29/16/10ME32/16/9(EF32)METD34/17/11ME36/18/11METD39/20/13ME42/22/15METD44/22/15ME42/21/20ME55/28/21M※S代表骨架横截面积。3.512.430.262.781.895.1116.0135.0182.0227.0251.0266.0455.0SJ/mm20.2010.3210.5250.6000.7600.8300.9711.2001.2501.7801.7302.3403.540l/cm3.764.635.756.707.047.407.868.1012.309.7010.309.7012.40μH·匝－2AL/AL/μ0.951.301.751.702.101.772.452.332.553.803.304.754.50b/mm10.012.515.317.319.420.120.921.525.726.329.526.133.4S/mm222.341.261.090.097.0108.5122.0122.5178.0177.0210.0177.0280.0 参考文献[1]PowerIntegrations公司产品手册，1997～2001[2]李于东.VisualBasic6.0中文版[M].北京：电子工业出版社，2000.[3]（美）s，赵军锁(译).DatabaseAccesswithVisualBasic6[M].北京：机械工业出版社，1999.作者简介沙占友(1944－)，男，河北科技大学信息学院电子信息工程系教授，已出版专著16部，发表学术论文153篇，主要研究方向为数字化测量技术、仪器仪表及特种电源。 利用计算机设计单片开关电源讲座第五讲KDPExpert专家系统的设计与使用指南（续）沙占友，王晓君，邢艳华(河北科技大学，河北石家庄050054）摘要：首先介绍KDPExpert专家系统的主要特点，然后详细阐述其软件设计和维护，最后介绍使用方法及注意事项。关键词：软件；VB语言；软面板；元件库；维护；使用DesignandUseGuideofKDPExpertSystemSHAZhan-you,WANGXiao-jun,XINGYan-huaAbstract:FirstlythemaincharactersofKDPExpertsystemareintroduced,secondlythesoftwaredesignandmaintenanceareexpoundedinparticular,ds:Software;VBlanguage;Softpanel;Componentslibrary;Maintenance;Use中图分类号：TN86文献标识码：A文章编号：0219－2713(2002)3－0107－04自动选择磁芯的的主流程图如图7所示。选择磁芯的程序如下： 图7选择磁芯流程图PrivateSubGrid1_GotFocus()DimKRP,M,Lp,i(行数),SJ,d,Ns,Np,NF,Ip,J1,δ1,BM,DPM,_δ,AL,b,IRMS,DPm,e,DPm2,Npp,AWG(次级导线规格),Sp,J,SP1'判断循环标志：根据前面的约定，给出M值'计算初级电感量Lp=1000000＊＊((1－Form6.)_/100)＋/100)/5._Text^2//＊100/Form6._/(1－/2)1＊ '设定磁芯的选择范围Fori===2SJ='计算最大磁通密度：d=2Ns==＊/(＋0.4)NF=(Val()＊(Val()＋0.7)_/(Val()＋0.4))Ip==Ip＊Lp/Np/SJ/100'判断最大磁通密度，并根据其数值选择不同的迭代方式IfBM<0.2ThenNp=Np－1GotoLoop1ElseIfbm>0.3ThenGotoLoop2EndIfLoop2Nexti……其它功能模块还包括计算气隙宽度，迭代计算电流密度，将部分中间结果参数填入相关文本框，设定光标位置，写标志位等。2.5设计结果显示面板的设计设计结果显示面板如图8所示。 图8设计结果显示面板2.6相关高级参数面板的设计主要包括：反馈电路参数选择面板，二极管选择面板，反馈输出电压面板，高频变压器的高级参数面板。其中，反馈电路参数选择面板和高频变压器的高级参数面板分别如图9、图10所示。图9反馈电路参数选择面板 图10高频变压器的高级参数面板2.7数据库维护系列面板设计为使该软件对今后国际上将要开发出的单片开关电源新产品也能适用，在设计过程中专门增加了数据库维护功能。利用该功能，用户可按自己的意愿调整单片开关电源的芯片型号和磁芯库中的元件。该功能的添加大大增强了软件的适应能力，并能延长软件的使用期限。2.7.1提示面板该面板如图11所示。图11提示面板2.7.2元件库选择面板该面板如图12所示。在该面板中，将TOPSwitch芯片库和磁芯库分开显示，这样作的目的是使用户看起来更直观。这里使用的分类方法表面上看是使用了两个Frame（单选）控件，但实际用的是Line控件勾 画的类似于Frame控件的方框。这是因为如果使用Frame控件进行分类，将允许用户同时选中不同Frame控件承载的两个芯片库，这在程序执行过程中是不允许的。为避免发生错误并保持软件的界面风格，现采用了Line控件勾画方框的方法。图12元件库选择面板2.8小结各软面板的设计不仅大大简化了用户的操作，而且它也是程序赖以实现的基础。在芯片和磁芯选择面板中调用了两个循环，使用户设计过程中省去了复杂的循环迭代过程，这是该软件最核心的部分。数据库维护功能，能解决因硬件的更新换代而造成软件过时的问题，也解除了用户的后顾之忧。这是该软件的主要特色之一。ert软件的使用指南本软件在设计上力求符合Windows操作系统的界面风格，只要熟悉基于Windows应用程序的用户，就很容易掌握本软件的使用方法。KDPExpert专家系统将开关电源的设计综合为5个步骤：1）根据电源设计要求，输入电源的基本参数；2）选择TOPSwitch芯片；3）选择变压器磁芯；4）选择TOPSwitch芯片和变压器的参数，获得所要求的设计结果；5）检查数据是否合理，获得设计结果清单。下面详细介绍KDPExpert的使用方法。3.1开始使用KDPExpert打开KDPExpert软件，将弹出主KDPExpert面板。面板中包括：菜单栏，工具栏，和状态栏。菜单栏包括以下内容：文件；选项；视图；数据库更新；帮助。工具栏中的图标功能与文件菜单中的部分功能相对应。 在文件菜单下有一系列标准选项：新建；打开；保存；另存为；打印；当前设计；关闭当前设计；退出。用鼠标点击其中一项，即可完成相应的功能。选项菜单可完成边界，使用地区和SI单位的设置。帮助菜单中包括帮助项和版本信息。点击文件菜单中“新建”或工具栏中“新建”图标，即可进入设计设置面板，该面板与主面板中选项设置菜单功能相同，只要输入设计文件名后点击“同意”按钮，即可进入电源参数设置面板。3.2电源参数设置面板使用该面板可完成以下参数的设置：1）交流电压交流输入电压最小值和最大值（umin，umax），可以手动输入或从交流电压输入框底部提供的选项中选择，在滑块左边文本框中给出数值大小，滑块运动则反映出交流电压数值的变化。——选100/115按钮，符合AC85～132V的输入要求；——选通用输入（亦称宽范围输入）按钮，符合AC85～265V的输入要求；——选固定输入按钮，符合AC195～265V的输入要求；通常情况下，软件默认为100/115V交流电压输入。2）电网频率在文本框中输入数字或调整滑块位置获得最小交流电网频率。典型设计值为50Hz，如果电源必须工作于给定范围，在该范围中选一个最低频率，移动滑块至希望位置或在文本框中输入该数。3）输出电压和电流在文本框中键入电压和电流，6路直流输出的值可自定义，软件自动计算每路的输出功率并计算出总功率，关于每个输出二极管的压降也一同显示。在该参数未输入时，软件不允许进入下一步，只有输入参数后，该面板的“下一步“按扭自动激活。3.3输出整流二极管压降设置面板输出整流二极管的导通电压降可以通过高级设置面板进行修改，选择“高级参数”按钮进入高级参数面板并键入所规定的电压值。——选择Uo≤9.0V时，应采用肖特基二极管，其导通压降为0.5V；——选择9.0V≤Uo≤22.0V时，采用硅二极管的导通压降为0.7V；——选择Uo>22.0V时，硅二极管的导通压降为1.0V。用户还可依据实际选择整流器件的情况来修改导通压降值，使之更好地符合要求。1）基准电压电源基准电压和基准电流从标准数值列表中选择。这些数值对四种典型反馈电路（基本反馈电路、改进反馈电路、配稳压管光耦，配TL431光耦）均适用。若需要修改这些数值，可选择Change菜单，打开反馈类型选择面板，选择适当的反馈类型。其它情况下，可在‘X’项下手动输入。2）选择芯片库和优化类型芯片库包括TOP22X、TOPFX（65kHz）、TOPFX（135kHz）、TOPGX（65kHz）、TOPGX（135kHz）。优化类型包括成本和电源效率。3）输入电容该参数由软件自动计算得出。以上参数设置完毕，点击“下一步”，即可进入TOPSwitch芯片选择面板。3.4TOPSwitch芯片选择面板该面板根据上一步中设置的参数给出TOPSwitch芯片库，面板中的参数（包括TOPSwitch芯片的选择） 全部由软件自动算出，但不允许在该面板中修改参数。如果软件找不到合适的TOPSwitch芯片，将自动给出提示，请用户返回电源参数设置面板，重新修改相关参数或进行手动选择。如用户需要对本面板中相关参数进行修改，请点击“高级参数”按钮，进入反馈输出电压面板后完成修改任务。注意，在反馈输出电压面板中点击“推荐”按钮，将返回到与电源参数设置面板中所设置参数相对应的典型值。核实该面板中参数时，按“下一步”按扭，即进入变压器选择面板。3.5变压器选择面板该面板根据设计设置面板中设置的有/无安全边界，给出相应的磁芯库。面板中的参数（含磁芯的选择）全部由软件完成。其它说明可参阅3.3。核实该面板中参数，按“完成”进入下一步设计结果面板。3.6设计结果面板该面板以电子数据表格的形式列出设计单片开关电源过程中的中间变量和最终结果。核实表中各参数的值，如果个别参数不符合设计要求，可返回前几步，再对相关参数进行必要的调整，直到满意为止。在上述各面板中，均可用“上一步”，“下一步”按钮进行各面板之间的切换。点击“帮助”、“关闭”、“保存”按钮，可完成相应的功能。3.7数据库更新点击主面板中菜单栏的“数据库更新”，即可进入数据库维护功能。该软件首先给出一个提示面板，用户确认使用该功能后再进入数据库选择面板，可选择其中的一个元件库或按照面板中的提示进行操作。元件库选定后，按“下一步”按钮，就进入库维护面板，对该库进行相应的维护后加以确认，即可对元件库进行更新。参考文献[1]PowerIntegrations公司产品手册，1997～2001.[2]李于东等.VisualBasic6.0中文版.电子工业出版社，2000.[3]（美）s著，赵军锁译.DatabaseAccesswitchVisualBasic6.机械工业出版社，1999.作者简介沙占友(1944－)，男，河北科技大学信息学院电子信息工程系教授，已出版专著16部，发表学术论文153篇，主要研究方向为数字化测量技术、仪器仪表及特种电源。 利用计算机设计单片开关电源讲座第六讲单片开关电源工作模式的设定及反馈理论分析沙占友，王书海，孟志永(河北科技大学，河北石家庄050054）摘要：首先介绍单片开关电源连续模式和不连续模式的设定方法，然后以TOPSwitch的基本反馈电路为例，对这两种工作模式的反馈理论作深入分析。关键词：单片开关电源；连续模式；不连续模式；设定单片开关电源有两种基本工作模式，一种是连续传输模式（简称连续模式）；另一种为不连续传输模式（简称不连续模式）。下面首先介绍两种工作模式的设定方法及功耗比较，然后阐述两种工作模式的反馈理论。1.单片开关电源两种工作模式的设定1.1连续模式及不连续模式的特点连续模式的特点是高频变压器在每个开关周期都是从非零的能量储存状态开始的。不连续模式的特点是储存在高频变压器中的能量在每个开关周期内都要完全释放掉。由图1所示开关电流波形上可以看出二者的区别。连续模式的开关电流先从一定幅度开始，沿斜坡上升到峰值，然后又迅速回零。此时，初级脉动电流（IR）与峰值电流（IP）的比例系数KRP<1.0，即不连续模式的开关电流则是从零开始上升到峰值，再迅速降到零。此时KRP=1.0，即IP=IP（2）1.2工作模式的设定利用IR与IP的比例关系，亦即KRP的数值，可以定量地描述单片开关电源的工作模式。KRP的取值 范围是0～1.0。若取IR=IP，即KRP=1.0，就将开关电源设定在不连续模式。当IR 不难求出，连续模式的峰值电流仅为不连续模式峰值电流的63％，而有效值电流是不连续模式的87％。由此可见，对于给定的TOPSwitch芯片，两种工作模式下的功耗之比为这表明在同样条件下，采用连续模式可比不连续模式减小24.3％的功耗。换言之，对于同样的输出功率，采用连续模式可使用功率较小的TOPSwitch芯片，或者允许TOPSwitch工作在较低的损耗下。此外，设计成连续模式时，初级电路中的交流成分要比不连续模式低，并能减小趋肤效应以及高频变压器的损耗。2.单片开关电源的反馈理论分析下面以TOPSwitch的基本反馈电路为例，对不连续模式和连续模式的反馈理论作深入分析。需要说明，这里讲的反馈理论仅讨论初级绕组与输出电路之间的相互作用。这与由反馈绕组及其外围电路构成的控制电路是两个概念，后者专用来调节占空比的，因此下述讨论不涉及反馈绕组。2.1基本反馈过程TOPSwitch系列单片开关电源可视为单片组合器件，它将高压功率开关管(MOSFET)以及所需全部模拟与数字电路组合在一起，完成输出隔离、脉宽调制及多种保护功能。TOPSwitch的基本反馈电路如图2所示。对该电路稍加改动，即可实现单路或多路输出、升压或降压输出、正压或负压输出。在TOPSwitch的基本反馈电路中，高频变压器具有能量储存、隔离输出和电压变换这三大功能。图中的NP、NS、NF分别代表初级绕组、次级绕组、反馈绕组以及各自的匝数。瞬态电压抑制器（TVS）和超快恢复二极管（SRD）构成了钳位保护电路，能吸收初级漏感所产生的尖峰电压。VD为输出整流管，C2是输出滤波电容，RL为负载电阻。UO为输出电压。图2中省略了交流输入及整流滤波电路。交流电经过整流桥和滤波电容，产生直流输入高压UI，当TOPSwitch导通时VD处于截止状态，而初级电流沿斜线上升。有公式式中，IPRI为初级（PRIMARY）电流，它包含着峰值电流IP和脉动电流IR。II是初级电流的初始值。 UDS(ON)是MOSFET的漏－源导通电压，tON为导通时间。由于VD截止，初级与输出负载隔离，因此原来储存在C2上的电能就给负载供电，维持输出电压不变。此时电能以磁场能量的形式储存在高频变压器内。在TOPSwitch关断期间，高频变压器中的磁通量开始减小，并且次级绕组的感应电压极性发生变化，使得VD因正向偏置而导通。储存在高频变压器中的能量就传输到输出电路，一方面给RL供电，另一方面还给C2重新充电。次级电流就从初始值按下式衰减：式中，IS为次级(SECONDARY)电流，IPNP／NS为次级电流的初始值。IP为初级电流在TOPSwitch导通结束前的峰值。UF1为输出整流管VD的正向导通压降。tOFF是TOPSwitch的关断时间。在TOPSwitch关断期间，如次级电流IS衰减到零，输出电流就由C2来提供。TOPSwitch有两种工作方式，这取决于关断期间最后的IS值。若在关断期间IS衰减到零，就工作在不连续方式。若IS的衰减结果仍大于零，则工作在连续模式。2.2实际情况下两种工作模式的反馈原理在理想情况下，不考虑反馈电路中寄生元件（分布电容和泄漏电感）的影响。但实际情况下必须考虑分布电容和泄漏电感的影响，因此在工作波形中存在尖峰电压和尖峰电流。1）实际不连续模式的反馈原理实际不连续模式的工作波形及简化电路原理如图3所示。由图3（b）可见，在不连续模式下每个开关周期被划分成3个阶段。另外，在实际电路中还存在着3个寄生元件：初级绕组的漏感LP0，次级绕组的漏感LS0，分布电容CD。其中，CD是TOPSwitch的输出电容COSS与高频变压器初级绕组的分布电容CXT之和，即CD=COSS＋CXT。下面专门讨论这些寄生元件对电路的影响。 在阶级1，随着TOPSwitch导通，CD就放电。上一周期结束时储存在CD上的能量ED在初始就被释放掉。因为ED与UCD2成正比，所以当CD的容量较大时，电源效率会明显降低，这在UI很高时更是如此。需要说明，在阶段1因高频变压器正在储存能量且次级绕组的电流为零，故漏感的影响可不予考虑。在阶段2，TOPSwitch关断。上一阶段中高频变压器储存的能量传输给次级绕组。此时漏感LP0和LS0都试图阻碍电流的变化。具体讲，LP0是要阻碍初级电流IPRI的减少，而LS0试图阻碍次级电流IS的增大。于是在IPRI减小和IS增大的过程中，就形成一个“交叉区”。最终结果是IPRI沿斜线降为零，其斜率由漏感LP0和初级电压所决定；IS则沿斜线上升到峰值ISP，斜率由漏感LS0和次级电压所决定。关键问题是在交叉区内初级电流必须保持连续。当被衰减的初级电流流过CD时，就将CD充电到UP。这个由漏感LP0产生的峰值电压就叠加在UDS的波形上，形成漏感尖峰电压，亦称作漏－源峰值脉冲。有关系式UDS=UI＋UOR＋UP（8）在实际电路中利用钳位保护电路，可将UDS钳制在TOPSwitch的漏－源击穿电压额定值（700V或350V，视芯片而定）以下，避免因UP使UDS升高而损坏芯片。在阶段3，感应电压UOR降为零。高频变压器已将在阶段1存储的能量全部释放掉，使漏－源电压从阶段2结束时的UDS=UI＋UOR，降低到UDS≈UI。但由于该电压变化又通过激励由杂散电容和初级电感构成的谐振电路，产生衰减震荡波形，并叠加到UDS波形上，直到TOPSwitch再次导通时才停振，因此在阶段3的UDS波形出现了波谷与波峰。显然，这个衰减振荡波形对CD上的电压和能量，起到了“调制”作用，并在下一个开关周期开始时，决定转换的功率损耗。 2）实际连续模式的反馈原理实际连续模式的反馈电路中也存在着与不连续模式相同的寄生元件，另外还需考虑输出电路的实际特性。理想的整流管应当没有正向导通压降和反向恢复时间。结型整流管的反向恢复时间是由少数载流子通过二极管结点而产生的，肖特基二极管则是由结电容引起的。对于单片开关电源，推荐使用反向恢复时间极短的肖特基二极管，或者超快恢复二极管作为输出整流管。不得使用普通低速整流管，因为后者不仅使得高频损耗增大、效率降低，还会造成整流管的热击穿。实际连续模式的工作波形如图4所示。在阶段1，TOPSwitch开始导通时次级仍有电流通过，这说明在导通瞬间，UDS=UI＋UOR，而不是UDS=0。其结果是TOPSwitch导通功耗比不连续模式要高一些。这是由于在分布电容CD上还存储额外能量的缘故。此外，在次级绕组输出关断之前，还必须对次级漏感LS0充电，致使在IS增大、IPRI减小过程中又产生了电流交叉现象。一旦LS0被充好电，输出整流管就被反向偏置而截止，使次级电流IS变为零，而IS的这一变化又感应到初级绕组，导致初级电流波形的前沿出现了一个反向恢复电流峰值（尖峰电流）。该尖峰电流使初级电流瞬间突然增大，很容易造成内部过流保护电路误动作。为此，TOPSwitch内部专门设计了前沿闭锁电路。其作用就是在TOPSwitch刚导通时将过流比较器输出的上升沿封锁180ns的时间，以便能躲过尖峰电流，防止造成误触发。在TOPSwitch的关断期间，也不存在阶段3，只有阶段2。在关断的瞬间受漏感LP0和LS0的影响，初级电流和次级电流也会形成一个交叉区，这使得UDS上升到（UI＋UOR）。但与不连续模式所不同的是，感应电压UOR将一直存在到TOPSwitch再次导通为止，所以不存在UOR降到零后的时间间隔（即阶段3）。参考文献[1]PowerIntegrations公司产品手册，1997～2001.[2]沙占友等．单片开关电源技术讲座[J]．电源技术应用，2000,(8～12).[3]沙占友等编著.新型单片开关电源的设计与应用[M].电子工业出版社，2001. 利用计算机设计单片开关电源讲座第七讲单片开关电源关键元器件的选择沙占友，杜之涛，武卫东(河北科技大学，河北石家庄050054）摘要：介绍单片开关电源外围电路中关键元器件的性能特点、工作原理、应用领域和选择方法。关键词：精密并联稳压器；光耦合器；线性；EMI滤波器；电网噪声在研制开关电源时，不仅要设计好电路，还必须能正确选择元器件。单片开关电源的外围元器件大致可分成三大类：1）通用元器件包括电阻、电容、整流桥或整流管、稳压管、熔断器、自恢复保险丝。2）特种半导体器件主要有TL431型可调式精密并联稳压器、EMI滤波器、光耦合器、瞬态电压抑制器、快恢复及超快恢复二极管、肖特基二极管。3）磁性材料如高频变压器磁芯、电磁线（漆包线、三重绝缘线）、磁珠。下面介绍7种关键元器件的工作原理与选择方法。431型可调式精密并联稳压器TL431是由美国德州仪器公司（TI）和摩托罗拉公司生产的2.50～36V可调式精密并联稳压器。其性能优良，价格低廉，可广泛用于单片精密开关电源或精密线性稳压电源中。此外，TL431还能构成电压比较器、电源电压监视器、延时电路、精密恒流源等。目前在单片精密开关电源中，普遍用它来构成外部误差放大器，再与线性光耦合器组成隔离式光耦反馈电路。TL431系列产品包括TL431C、TL431AC、TL431I、TL431AI、TL431M、TL431Y，共6种型号。它属于三端可调式器件，利用两只外部电阻可设定2.50～36V范围内的任何基准电压值。TL431的电压温度系数αT=30×10－6／℃（即30ppm／℃）。其动态阻抗低，典型值为0.2Ω。阴极工作电压UKA的允许范围是2.50～36V，阴极工作电流IKA=1～100mA。TL431大多采用DIP-8或TO-92封装形式，管脚排列分别如图1（a）及图1（b）所示。 （a）TO-92（b）DIP-8（c）等效电路图1TL431的封装形式及等效电路图中，A为阳极，使用时需接地。K为阴极，需经限流电阻接正电源。UREF是输出电压Uo的设定端，外接电阻分压器。NC为空脚。TL431的等效电路见图1（c），主要包括4部分：1）误差放大器A，其同相输入端接从电阻分压器上得到的取样电压，反相输入端则接内部2.50V基准电压Uref，并且设计的UREF=Uref，UREF端常态下应为2.50V，因此亦称基准端；2）内部2.50V（准确值应为2.495V）基准电压源Uref；3）NPN型晶体管VT，它在电路中起到调节负载电流的作用；4）保护二极管VD，可防止因K、A间电源极性接反而损坏芯片。TL431的电路符号和基本接线如图2所示。它相当于一只可调式齐纳稳压管，输出电压由外部精密电阻R1和R2来设定，有公式Uo=UKA=（1＋R1／R2）×UREF（1）（a）电路符号（b）基本接线图2TL431的电路符号与基本接线R3是IKA的限流电阻。TL431的稳压原理可分析如下：当由于某种原因致使Uo↑时，取样电压UREF也随之升高，使UREF>Uref，比较器输出高电平，令VT导通，Uo↓。反之，Uo↓→UREF↓→UREF 极上形成误差电压，使LED的工作电流IF产生相应变化，再通过光耦去改变控制端电流IC的大小，调节TOPSwitch的输出占空比，使Uo不变，达到稳压目的。2.线性光耦合器光耦合器（OpticalCoupler）简称光耦。它是以光为媒介来传输电信号的器件。通常是把发光器（红外线发光二极管LED）与受光器（光敏半导体管）封装在同一管壳内。当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了“电—光—电”转换。普通光耦合器只能传输数字（开关）信号，不适合传输模拟信号。线性光耦合器是一种新型光电隔离器件，它能够传输连续变化的模拟电压或模拟电流信号，使其应用领域大为拓宽。线性光耦与普通光耦的重要区别反映在电流传输比（CTR）上。CTR是光耦的重要参数，通常用直流电流传输比来表示。当输出电压保持恒定时，它等于直流输出电流IC与直流输入电流IF的百分比。有公式CTR=IC/IF×100％（2）采用一只光敏三极管的光耦合器，CTR的范围大多为20％～300％（例如4N35），而PC817则为80％～160％。达林顿型光耦（如4N30）可达100％～5000％。这表明欲获得同样的输出电流，后者只需较小的输入电流。因此CTR参数与晶体管的hFE有某种相似之处。线性光耦与普通光耦典型的CTR IF特性曲线，分别如图3中的虚线和实线所示。由图可见，普通光耦的CTR IF特性曲线呈非线性，在IF较小时的非线性失真尤为严重，因此它不适合传输模拟信号。线性光耦的CTR IF特性曲线具有良好的线性度，特别是在传输小信号时，其交流电流传输比（ΔCTR=ΔIC／ΔIF）很接近于直流电流传输比CTR值，因此它适合传输模拟电压或电流信号，能使输出与输入之间呈线性关系。这是其重要特性。线性光耦的典型产品及主要参数见表1，这些光耦均以光敏三极管作为接收管。在设计光耦反馈式开关电源时必须正确选择线性光耦合器的型号及参数，选取原则如下：图3两种光耦的CTR-IF特性曲线 图4单片开关电源常用的四种EMI滤波器 表1线性光藕的产品型号及主要参数产品型号PC816APC817ASFH610A2NEC2501HCNY172CNY173SFH6001SFH6002CNY75GACNY75GBMOC8101MOC8102CTR/％U（BR）80～16080～16063～12580～16063～125100～20063～125100～20063～125100～20050～8073～117CEO/V7国外生产厂家SharpSharpSiemensNECMotorola,Siemens,ToshibaMotorola,Siemens,ToshibaSiemens,IsocomSiemens,IsocomTemicTemicMotorola,IsocomMotorola,IsocomDIP6（基极未引出）DIP6（基极引出）封装形式DIP4（基极未引出）1）光耦的电流传输比（CTR）的允许范围是50％～200％。这是因为当CTR<50％时，光耦中的LED需要较大的工作电流（IF>5.0mA），才能正常控制单片开关电源的占空比，这会增大光耦的功耗。若CTR>200％，在启动电路或者当负载发生突变时，有可能将单片开关电源误触发，影响正常输出。2）推荐采用线性光耦，其特点是CTR值能够在一定范围内做线性调整。3）由英国埃索柯姆（Isocom）公司、美国摩托罗拉公司生产的4N××系列（例如4N25、4N26、4N35）光耦合器，目前在国内应用十分普遍。鉴于此类光耦合器呈现开关特性，其线性度差，只适宜传输数字信号（高、低电平），因此不推荐用在开关电源中。3.电磁干扰滤波器电磁干扰滤波器亦称EMI滤波器，它能有效地抑制电网噪声，提高电子设备的抗干扰能力及系统的可靠性，可广泛用于电子测量仪器、计算机机房设备、开关电源、测控系统等领域。电网噪声是电磁干扰的一种，属于射频干扰（RFI），其传导噪声的频谱大致为10kHz～30MHz，最高可达150MHz。根据传播方向的不同，电网噪声可分为两大类：一类是从电源进线引入的外界干扰，另一类是由电子设备产生并经电源线传导出去的噪声。这表明它属于双向干扰信号，电子设备既是噪声干扰的对象，又是一个噪声源。若从形成特点看，噪声干扰分串模干扰与共模干扰两种。串模干扰是两条电源线之间（简称线对线）的噪声，共模干扰则是两条电源线对大地（简称线对地）的噪声。因此，电磁干扰滤波器应符合电磁兼容性（EMC）的要求，也必须是双向射频滤波器，一方面要滤除从交流电源线上引入的外部电磁干扰，另一方面还能避免设备本身向外部发出噪声干扰，以免影响同一电磁环境下其它电子设备的正常工作。此外，电磁干扰滤波器应对串模、共模干扰都起到抑制作用。为减小体积和降低成本，单片开关电源一般采用简易式单级EMI滤波器，主要包括共模扼流圈L和滤波电容。典型电路如图4所示。以图4（c）为例，L、C1和C2用来滤除共模干扰，C3和C4滤除串模干扰。当出现共模干扰时，由于L中两个线圈的磁通方向相同，经过 耦合后总电感量迅速增大，因此对共模信号呈现很大的感抗，使之不易通过，故称作共模扼流圈。它的两个线圈分别绕在低损耗、高导磁率的铁氧体磁环上。R为泄放电阻，可将C3上积累的电荷泄放掉，避免因电荷积累而影响滤波特性；断电后还能使电源的进线端L、N不带电，保证使用的安全性。EMI滤波器能有效抑制单片开关电源的电磁干扰。图5中曲线a为不加EMI滤波器时开关电源上0.15MHz～30MHz传导噪声的波形（即电磁干扰峰值包络线）。曲线b是插入如图3（d）所示EMI滤波器后的波形，它能将电磁干扰衰减50～70dB。显然，这种EMI滤波器的效果更佳。图5加EMI滤波器前、后干扰波形的比较（a）插入前（b）插入后图6测量插入损耗的电路插入损耗（AdB）是EMI滤波器的重要参数。它是评价电磁干扰滤波器性能优劣的主要指标。设电磁干扰滤波器插入前后传输到负载上的噪声电压分别为U1、U2，有公式AdB=20lg（3）插入损耗用分贝（dB）表示，分贝值愈大，说明抑制噪声干扰的能力愈强。测量插入损耗的电路如图6所示。e是噪声信号发生器，Zi是信号源的内部阻抗，ZL是负载阻抗，一般取50Ω。噪声频率范围可选10kHz～30MHz。首先要在不同频率下分别测出插入EMI滤波器前后，负载两端的噪声压降U1、U2，再代入式（3）中计算出每个频率点的AdB值，最后绘出插入损耗曲线。需要指出，上述测试方法比较繁琐，每次都要拆装EMI滤波器。为此可用电子开关对两种测试电路进行快速切换。 参考文献[1]沙占友．特种集成电源最新应用技术[M]．人民邮电出版社，2000[2]沙占友．EMI滤波器的设计原理[J]．电子技术应用，2001(5)[3]沙占友.单片开关电源电磁干扰的分析及抑制方法[J]，电子测量与仪器学报（2000增刊），2000作者简介沙占友（1944－），男，河北科技大学信息学院电子信息工程系教授，已出版专著16部，发表学术论文153篇，主要研究方向为数字化测量技术、仪器仪表及特种电源。 利用计算机设计单片开关电源讲座第八讲单片开关电源关键元器件的选择（续）沙占友，睢丙东，杜之涛(河北科技大学，河北石家庄050054）摘要：介绍单片开关电源外围电路中关键元器件的性能特点、工作原理、应用领域和选择方法。关键词：瞬态电压抑制器；快恢复二极管；超快恢复二极管；自恢复保险丝4.瞬态电压抑制器瞬态电压抑制器亦称瞬变电压抑制二极管，其英文缩写为TVS（TransientVoltageSuppressor），是一种新型过压保护器件。由于它的响应速度极快、钳位电压稳定、体积小、价格低，因此可作为各种仪器仪表、自控装置和家用电器中的过压保护器，还可用来保护单片开关电源集成电路、MOS功率器件以及其它对电压敏感的半导体器件。瞬态电压抑制器是一种硅PN结器件，其外型与塑封硅整流二极管相似，见图1（a）。常见的封装形式有DO－41、A27K、A37K，它们在75℃以下的额定脉冲功率分别为2W、5W、15W，在25℃、s条件下可承受的浪涌电流分别可达50A、80A、200A。外形尺寸有2.0×4.1、2.7×5.2、5.0×9.4（mm）等规格。其钳位电压从0.7V到3kV。TVS的符号与稳压管相同，见图1（b），伏安特性如图1（c）所示。图1(c)中，UB、IT分别为反向击穿电压（即钳位电压）、测试电流。UR为导通前加在器件上的最大额定电压。有关系式UR=0.8UB。IR是最大峰值漏电流。UC是在1ms时间内器件可承受的最大峰值电压。有关系式UC>UB>UR。IP是瞬时脉冲峰值电流。因IP、IT、IR分别属于A、mA、μA这三个数量级，故IP IT IR。TVS的峰值脉冲功率PP与干扰脉冲的占空比（D）以及环境温度（TA）有关。当D↓时PP↑，反之亦然。而当TA↓时PP↑。PP值通常是在脉宽1ms、脉冲上升沿为10μs、D=0.01％的条件下测出的，使用时不得超过此值。