本帖最后由 ztbb 于 2023-10-27 10:56 编辑
设计目标
使用PI公司的电源管理相关芯片设计一款符合家电、计算机和消费电子产品的辅助电源，满足但不限于以下指标要求：
- 最大输出功率：65W;
- 最大效率：≥85%;
- 输入额定电压：AC 85V-265V;
- 输出电压规格：20V/3.25A;
- 输出纹波：≤250mV;
- 输入具有过压欠压保护;
- 输出具有过压过流及短路保护;
- 输出过压故障时进入自动重启动保护状态;
芯片选型
针对上述功率设计目标，选用PI公司InnoSwitch3-EP产品系列开关电源芯片进行设计。InnoSwitch3-EP产品系列集成初级开关、同步整流和FluxLink反馈技术的 恒压/恒流准谐振离线反激式开关电源IC。能够极大简化全数控高效率电源的开发和制造，尤其是那些采用紧凑外壳的电源。其芯片结构及引脚布局如下图所示： 其中引脚功能电流检测(IS)引脚(引脚1) 该引脚是电源输出端子的连接点。外部电流检测电阻应连接在该引脚与 GND引脚之间。如果不要求电流调整/精确的过流保护，该引脚应连接 至GND引脚。芯片内部原理如下图所示：
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它的结构主要包含，用于控制主边导通时间的功率管Q，替代电感进行储能和电气隔离的元件变压器 T，用于输出滤波和储能的输出电容COUT 和输出负载，使用肖特基二极管 DOUT用于异步整流。主边地电位 PGND 和次边地电位 SGND 一般用磁珠进行分离。如下图所示。 设计思路
其中输入部分包括：过流保护器件F1和RT1、安规电容C1、共模滤波电感L1、整流桥BR1、以及输入滤波电容C2。 过流保护器件F1和RT1的作用是安全防护。在电源出现异常时，为了保护核心器件不受到损坏。NTC是以氧化锰等为主要原料制造的精细半导体电子陶瓷元件。电阻值随温度的变化呈现非线性变化，电阻值随温度升高而降低。利用这一特性，在电路的输入端串联一个负温度系数热敏电阻增加线路的阻抗，这样就可以有效的抑制开机时产生的浪涌电压形成的浪涌电流。当电路进入稳态工作时，由于线路中持续工作电流引起的NTC发热，使得电阻器的电阻值变得很小，对线路造成的影响可以完全忽略。安规电容C1多选用耐纹波电流比较大的聚脂薄膜类电容。这种类型的电容,体积较大,但其允许瞬间充放电的电流也很大,而其内阻相应较小。X电容容值选取是uF级，此时必须在X电容的两端并联一个安全电阻,用于防止电源线拔插时,由于该电容的充放电过程而致电源线插头长时间带电。 安全标准规定,当正在工作之中的机器电源线被拔掉时,在两秒钟内,电源线插头两端带电的电压(或对地电位)必须小于原来额定工作电压的30%。作为安全电容之一的X电容,也要求必须取得安全检测机构的认证。X电容一般都标有安全认证标志和耐压AC250V或AC275V字样,但其真正的直流耐压高达2000V以上,使用的时候不要随意使用标称耐压AC250V或者DC400V之类的的普通电容来代用。 共模滤波电感L1，A和B就是共模电感线圈。这两个线圈绕在同一铁芯上，匝数和相位都相同(绕制方向向反)。这样，当电路中的正常电流流经共模电感时，电流在同相位绕制的电感线圈中产生反向的磁场而相互抵消，此时正常信号电流主要受线圈电阻的影响(和少量因漏感造成的阻尼);当有共模电流流经线圈时，由于共模电流的同向性，会在线圈内产生同向的磁场而增大线圈的感抗，使线圈表现为高阻抗，产生较强的阻尼效果，以此衰减共模电流，抑制高速信号线产生的电磁波向外辐射发射，达到滤波的目的。
整流电路常用的形式有最简单的直接串接二极管方式的半波整流电路和由多只二极管以电桥形式连接构成的桥式整流电路，桥式整流较半波整流虽然电路结构相对复杂，但由于转换效率更高，而且随着集成 IC 的快速发展，使得电路性能更加可靠，成本也越来越低，综合考虑，选用桥式整流的方式作为前级整流电路方案更佳，半波整流电路结构和对应的时序如图所示。
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电容滤波电路结构如图所示，图中显示出加入滤波电容后的输出电压波形，经整流桥输出的电压波形脉动较大，必须经过滤波才能进行下一步处理，加入滤波电容后，电容的充放电作用使得输出电压纹波明显减小。滤波电容的取值比较关键，电容取得过大，成本太高，但是电容如果取得偏低，滤波效果又很差，电压脉动仍然较大，通常情况下，都是选取容量较大的电解电容进行滤波。 开关电源输入侧的保护措施主要是针对过压和过流，其中过压现象主要包括浪涌、冲击、静电、群脉冲等，一般的保护措施是在输入端加瞬态电压抑制二极管(TVS)、压敏电阻(MOV)、放电管等。过流主要是通过熔断保险丝、自恢复保险丝、热敏电阻等器件进行保护。原理图其余部分主要是RCD钳位电路、变压器初级偏置电路、输出开关电路及滤波电路、以及负载检测电路等。 变压器的漏感或者布线导致的引线电感和原边励磁电感是以串联形式连接的，在功率开关管高电平导通阶段，输入电源直接加在变压器原边绕组上，原边绕组电流线性增加，以电流的形式储存能量。开关管关断瞬间，整流二极管导通，储存在励磁电感中的能量通过变压器耦合给负载供电，同时给电容进行充电。变压器的漏感由于没有流通通路，自感作用会产生非常高的自感电势。较高的自感电动势和输入电源电压共同叠加作用在开关管漏极，如果不采取任何措施，这一尖峰电压可能会导致开关管损坏，所采取的措施是给原边漏感增加续流通路。常用的电路形式有稳压管钳位电路和 RCD 吸收电路。RCD钳位电路主要用于限制MOS关断时高频变压器漏感的能量引起的尖峰电压和次级线圈反射电压的叠加，叠加的电压产生在MOS管由饱和转向关断的过程中，漏感中的能量通过D向C充电，C上的电压可能冲到反电动势与漏感电压的叠加值，即：Vrest+ ΔVpp。 吸收电阻R的影响
1、吸收电阻的阻值对吸收效果干系重大，影响明显。
2、吸收电阻的阻值对吸收功率影响不大，即：吸收功率主要由吸收电容决定。
3、当吸收电容确定后，一个适中的吸收电阻才能达到最好的吸收效果。
4、当吸收电容确定后，最好的吸收效果发生在发生最大吸收功率处。换言之，哪个电阻发热最厉害就最合适。
5、当吸收电容确定后，吸收程度对效率的影响可以忽略。
自启动电路，它是在原来的启动电阻上面加了一个控制电路，就是曾加了一个MOS管，这样做的原因是在正常工作后，让VCC绕着给一个电压把mos管关断，让启动电阻不在有电流流过，减小了正常工作后的损耗。但是VCC的时序的配好，因为在不同的状态下启动，会出现启动不起来的现象，利用这一电路是非常需要注意的，启动的电阻还是需要原来不加MOS管的时候的功率与阻值，有很多得工程师在用这一启动电路的时候会减小启动电阻的功率。认为启动后电阻就不在流过电流了，有见过用几颗贴片电阻替代的。这些都是没有考虑电源工作在异常状态，列如输出短路的时候，电源一直在启动，启动电阻基本上一直在工作着，这样功率不够的话，很快就会坏了。还有这一电路在生产的过程如果有出现了虚焊，在生产的过程中可能就会损坏。
反激变换器中，变压器起着电感和变压器的双重作用，因而变压器磁芯处于直流偏磁状态，为防磁饱和因此要加入气隙。防止磁芯饱和不仅只有开气隙一种方法，另外一种是增加磁心的体积;不过通常设计时空间已经限制了磁芯的大小，所以实际设计中开气隙的方法应用的比较多;这两种方法都可以使磁心的磁滞回线变得“扁平”，这样对于相同的直流偏压，就降低了工作磁通的密度。为了减少漏感，目前最好的、工艺最简单的绕制方法是初次级交错绕法也就是大家常说的三明治绕法。 反激电源变压器的设计非常关键，合理地进行变压器设计，在很大程度上可以使变换器的各项性能得以改善。反激电源变压器具有电气隔离的作用，同时可以将能量通过变压器耦合传输到输出端，通过合理设置匝比可以很好解决 BUCK 电路不适合应用于输入输出电压悬殊较大的场合这一突出问题。选择合适的匝比，可以将输入的高压通过变压器比例降压，使得次级输出电压能够变换到我们所期望值附近，实现粗调，然后通过采样反馈控制以改变驱动信号的占空比实现精密调节，实现我们预期稳定值输出。PID 控制是工业中已经发展很成熟并且应用较广泛的一种控制算法，在稳定电源输出电压上的具体应用叙述如下：将输出端电压变化反馈至输入的过程中，如果仅依靠电阻分压的方式直接反馈进行比例调节，这样反馈方式下系统需要不停检测频繁进行调节，容易在调节的过程中出现振荡现象，导致系统出现不稳定。为了在系统稳定的前提下稳定输出端电压，需要在现有基础上引入积分调节。当输出端电压发生变化时，系统不马上动作进行调节，而是将几次的偏差进行累加，只要累加偏差在所允许的范围内，系统不采取动作，只有当超过所允许的范围，系统才响应进行调节，这种反馈机制下系统不需要频繁进行调节，最大限度地避免了振荡现象，使得系统更加稳定。
稳定的反馈环路对开关电源来说是非常重要的，如果没有足够的相位裕度和幅值裕度，电源的动态性能就会很差或者出现输出振荡。TL431 是开关电源次级反馈最常用的基准和误差放大器件，其供电方式不同对它的传递函数有很大的影响，很多分析资料常常忽略这一点。开关电源系统是典型的闭环控制系统，设计时，补偿电路的调试占据了相当大的工作量。目前流行于市面上的反激控制器，绝大多数采用峰值电流控制控制模式。峰值电流模式反激的功率级小信号可以简化为一阶系统，所以它的补偿电路容易设计。通常，使用Dean Venable提出的Type II 补偿电路就足够了。在设计补偿电路之前，首先需要考察补偿对象(功率级)的小信号特性。
在考察功率级传函Bode 图的基础上，我们就可以进行环路补偿了。对于峰值电流模式的反激变换器，使用Dean Venable Type II 补偿电路即可，典型的接线方式如下图所示： 通常，为降低输出纹波噪声，输出端会加一个小型的LC 滤波器，如图 10 所示，L1、C1B 构成的二阶低通滤波器会影响到环路的稳定性，L1、C1B 的引入，使变换器的环路分析变得复杂，不但影响功率级传函特性，还会影响补偿网络的传函特性。然而，建模分析后可知：如果L1、C1B 的转折频率大于带宽fcross 的5 倍以上，那么其对环路的影响可以忽略不计，实际设计中，建议L1 不超过4.7μH。设计软件分析 在PI Expert生成的设计方案页面中，我们可以看到主要分为3个区域：最上边是“菜单栏”和“工具栏”、左侧是“导航栏”、右侧是“设计方案栏”，下图为对生成的设计方案进行分析。
系统整体硬件电路设计如图 所示，输入端经输入保护电路，整流滤波电路后，将整流滤波后的输出送至变换器的输入端，输出端采用 TL431+InnoSwitch3-EP产品系列集成初级开关的结构进行反馈控制以维持输出端电压的稳定，芯片直接采用直流母线电压进行供电，系统具有输出过电压，过电流保护等功能。 1 .器件清单 点击“材料清单”标签栏，可以查看设计方案包含的所有器件清单，包含：数量、器件值、参数说明、器件厂商、以及对应原厂的编号等信息。
2 .电路板布局 我们选择“电路板布局”标签，可以看到软件自动生成的PCB布局图和重要布局建议，点击每条建议后面的问号，会弹出一个放大的布局图，并以绿色突出显示建议的内容。 比如，我们点击“最大化源极区以利于散热”后面的问号，会弹出下图所示的提示窗口。3 .变压器结构
其中变压器的设计需要首先确定已知参数： 1)开关频率：Fsw;
2)变压器的效率：η;
3)最大占空比：Dmax;
4)输入电压范围：Vinmin,Vinmax
5)输出电压 Vout
6)输出电流Iout
7)K=0.4(DCM=1,CCM=0.3~0.5);
8)输出二极管管压降Vf
9)辅助绕组电压Vb
10)辅助绕组二极管管压降Vfb
在PI Expert生成的设计方案页面中，点击“变压器构造”标签栏，可以查看设计方案中变压器的相关参数信息，包含：变压器机械结构图、绕制信息、变压器电气图、磁芯/线圈参数、绕组参数、变压器制造说明等主要信息，可以说是相当全面了。
4 .设计评估
点击“Design Evaluation”标签栏，可以查看软件对该设计方案的评估信息，个人认为最靓最实用的功能便是“PIE Chart”图标，用扇形图的方式向用户直观地展示了各损耗的比例。同时，还可以将比例单位更改为mW单位，显示更加直观。
同时，软件也提供了线型“Line Chart”表功能，我们可以选择横坐标和纵坐标代表的参数，然后软件会自动计算并生成两者的关系图。
例如，我们将横坐标代表的参数更改为“负载率”，纵坐标参数更改为“输出功率”和“效率”，会得到该电源的效率、功率与负载率的曲线关系图。通过该设计方案的演示，我们可以看出PI Expert软件的强大性，具有简便易用、设计精准、输出信息丰富等特点，能够助电源设计工程师一臂之力，设计出性能更优的电源产品。可以非常高效直观的原理图呈现-并且也提供了详细的设置参数。在线的分析结果也是非常高效和详细以便于后期硬件调试和测试数据。美中不足的是，不能对生成的原理图进行直接更改，比如直接更改我想要的设计电路类型和器件，只能更改软件默认支持的可配置项。
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