TOP243Y 下的多路輸出開關電源高頻變壓器的優化設計研究

佟春雨 鄧玉福 孟德川

（沈陽師范大學，遼寧 沈陽110034）

1 TOP243Y的介紹

TOP243Y是TOPSwich-GX 系列芯內的一種元件，其是美國PI 公司推出、發布的第四代單片開關電源產品，隸屬于六端芯片的范疇。有資料記載，其最大輸出功率目前已拓展至290W。配合使用了高壓CMOS 技術,對高壓功率MOSFET、PWM調控、故障狀態維護與他類控制電路進行集成處理，具體是被集成在單片CMOS芯片內。外加其在開啟時能消耗掉過沖與減小元件應力的軟啟動、削弱EMI 的抖動欠壓保護程度及過壓關斷、能夠依照一定程序編寫限流控制及特有的EcoSmart 技術,使電路設計過程更具有精簡性，設計周期明顯被短縮，這也使TOP243Y在同類芯片產品中更占據優勢的主要原因之一[1]。

2 設計思路

針對本課題研究設計出的多路輸出開關電源，多建議將其裝配在儀表儀器電路內，主要設計要求包括如下：

輸入電壓的變化范疇：85V～265V，50/60Hz；

主輸出電壓（U0）、輸出電流（I0）、輸出電壓精準度分別是+5V、1A、±1%；將負載調整率、電壓調整率分別控制在0.3%、0.5%內；

輸出電壓（U0）：+15V、輸出電流（I0）：0.2A。

綜合分析以上設定的設計要求，決定選用TOP243Y作為控制芯片構成單端反激式開關電源。輸入整流及濾波、鉗位保護、高頻變壓電路、輸出電路等是電路的主要構成。“單端”即采用TOPSwich-GX 系器件內僅存有單個脈沖調制信號功率，用其輸出端漏極D，“反激式”實質上就是MOSFET被導通時，在變壓器的初級繞組上存儲電能，只有在MOSFET 發出關閉、斷離動作時，方會將電能輸送給次級，鑒于開關頻率能夠達到66kHz的實況，變壓器能保證能量存儲、釋放過程的快速性，歷經高頻整流濾波處理后便能順利的獲取到直流持續輸出，TOP243Y 芯片能夠精準的檢測出輸出直流電壓的大小，并且會把其和基準電壓進行對比，進行放大處理，合理調節功率輸出端占空比這一指標，進而實現對變換器的精準控制，更好的維持輸出電壓的穩定性。

在極低壓或過壓時狀態下，TOP243 Y芯片的軟啟動功能實現率達到了100.0%，故而能夠使被設計的開關電源在輸入電壓偏寬的范疇（85V～265V）中運作。利用TOP243 Y芯片能誘導開關頻率的提升過程，使頻率值最大能達到132kHz，借此方式去壓縮高頻變壓器及開關電源的形體。若探查到開關電源負載非常輕時，TOP243 Y芯片可以智能化的調低開關頻率，將其由高值132kHz降至30kHz，減少開關裝置對電能損耗量，電源運作效率也有很大提升[2]。TOP243 Y芯片的優點眾多，包括高集成性、高性價比、簡化外圍電路等，利用其組成的開關電源持有優良的控制性能，功能齊全，運作過程安穩、可靠。

3 選擇高頻變壓器的磁芯及計算參數

本文設計出的開關電源的瞬時輸出功率最大值（P0）是11W，TOP243 Y芯片的開關頻率（Fs）是132kHz，以此為基礎合理選擇磁芯并測算出相關參數。

3.1 變壓器磁芯。針對高頻變壓器磁芯，在選擇應用過程中均要合理分析變壓器在作業頻率點位的損耗程度與磁密情況。綜合多方面因素后，本文設計決定選用功率鐵氧體材料，其在磁導率、高電阻率以及經濟性等諸多方面均占優勢，參照制造商提供的圖形、表格，最后決定選用EE19 型鐵氧體磁芯作為變壓器的磁芯，具體參數如下：等效磁路長（Le）：39.4mm;等效橫截面積（Ae）：23.0mH，無氣隙狀態下對應的等效電感量(AL):1250nH，骨架寬(BW):9.0mm。

3.2 測算高頻變壓器的參數。在具體測算過程中，先要合理選擇出一個工作點位，該點位實質上就是計算高頻變壓器參數，交流輸入電壓最低的部位，對應的輸出功率最大。在多路輸出階段，選擇原邊感應電壓（VOR）為100V，該數值能較好的維持交叉穩壓的準確性及提升效率。

3.2.1 測算輸入電壓確定最大占空比。利用（1）式計算出最小直流輸入電壓VMIN[3]：

根據此公式，能夠測算出+5V、+15V、-15V三路輸出的最大電流依次是7.39A、2.61A、2.61A。

3.2.7 計算出高頻變壓器的氣隙。對于單端反激使變壓器而言，其在應用階段為了能減少或規避發生磁芯進入飽和狀態的情況，降低磁芯自身損耗與發熱程度，建議將一個大小適宜的氣隙增設到磁芯回路內；針對氣隙的長度Lg，可以采用（9）式計算出來：

4 優化變壓器的結構和參數

Designer 8 軟件最大的特點是，其內的專家系統應用圖形界面的開關電源，進而實現優化設計效果的一種工具式軟件。軟件在應用階段能接受并兼容用戶群體輸出的開關電源尺寸參數，智能產生由PI 器件組成的電源設計方案，這樣便能順利、清晰的觀察到高頻變壓器內部形成的繞向結構，并繪制相應的電氣屬性原理圖，據此更有針對性的整改變壓器的主要參數，借此方式優化設計，取得較理想的成績。

參照本次被設計電源的實際要求，先將連接結構的優化設定為著手點。分離式、疊加式繞法是多路輸出開關電源輸出端經常應用的連接形式，在前種繞法中不同次級繞組之間相互獨立，靈活布設，但需耗用較高的資金成本，外加骨架上方設置了數目較多的引腳，導致整體漏感相對較大。而疊加式繞法在部署次級繞組環節的靈活性不足，但有時在于低壓輸出繞組能將局部匝數與接地端提供給高壓繞組，能減少導線資源的耗用量，壓縮線圈體積，不僅有較高的經濟性，還強化了不同次級繞組之間的耦合性。綜合以上分析的內容，本文設計時決定采用疊加式繞法，強化了次級繞組見的耦合性，提升了電源的效率。

5 檢測及分析結果

在實物體測試階段，具體檢測了輸入電壓及負載不同的狀況下電源的參數，并且還采集不同電路輸出的波形與TOP243 Y 芯片在運作時漏源極對應的波形，統計并分析檢測結果，并依照公式計算出電網及負載調整率，經判斷后確認計算參數符合設計要求，提示開關電源的穩壓性優良。

同時還檢測了110V AC 輸入1A 負載時主要輸出的波形，測算出輸出電壓紋波峰的最大值是175mV，對應的紋波系數偏小，提示開關電源的電磁自身具有良好的兼容性。當電源的負載較輕時，TOP243 Y芯片的占空比大概是29%，若把電源負載加重至0.6A，此時TOP243 Y的占空比提升至48%。

采用TOP243 Y芯片設計單端反激式電源電壓器的流程極為復雜，前期設計參數的合理性關系著參數計算過程，故而在具體設計實踐中需要對變壓器的作業原理及不同參數之間建設的關系有較全面認識。本文在完成設計測算后，巧用Designer 8 軟件對變壓器進行優化處理，借此方式提升被設計參數及結果的精準度、合理性。分析測試檢出結果不難發現設計出的開關電源在穩壓性、電磁兼容性等方面均占據優勢，符合設計要求。