電力電子技術的小功率開關電源設計

劉金華++朱春媚

摘 要 通過PI Expert軟件對小功率開關電源進行電路拓撲、元器件參數、變壓器參數設計，給出電路原理圖、PCB圖，詳述高頻變壓器的繞制和硬件調試過程。通過這一實例，學生完成電力電子電路制作的完整工藝流程，很大程度上提高了硬件制作能力，促進本校應用型人才培養質量的提高。

關鍵詞 電力電子技術實驗；教學改革；開關電源

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2015）14-0157-03

Low-power Switching Power Design of Power Electronic Tech-nology//LIU Jinhua， ZHU Chunmei

Abstract The circuit topology，Component parameters， transformer parameters of low-power switching power have been designed by PI Expert software in this paper. Detailed electrical schematics and PCB drawings were given.High frequency transformer winding and hardware debugging were reported in detail. The students finish the complete process flow of power electronic circuits implementation by this example. Students ability of hardware manufacture and training talents in the application-oriented universitieshave been fully developed.

Key words experiment of power electronic technology； teaching reform； switching power

電力電子技術課程是一門實踐性非常強的課程。結合電子科技大學中山學院現有的硬件條件、應用型人才培養要求及學生動手實踐能力，筆者提出“電力電子技術綜合創新性實驗教學改革”，旨在通過制作一些具體實例，提高學生硬件制作能力[1-4]。小功率開關電源設計與制作能夠很好地滿足要求。

現代開關電源具備高效率、體積小、穩定性高等多種優點，能夠逐漸取代傳統的線性穩壓電源。隨著電力電子技術的發展，電源的控制芯片上集成了越來越多的模塊，這樣一來，外圍電路更加簡單，同時也提高了供電的可靠性和工作效率。開關電源在電子、電氣設備和家用電器等領域使用越來越廣泛。

本文的小功率開關電源是為小功率家用電器提供電源，設計以現在流行的高效率、高節能的集成開關芯片PI公司TOP系列為基礎，基于PI Expert 8軟件設計電路參數。該電源采用單端反激式的電路拓撲結構，光耦與TL431的反饋電路設計，能夠提供兩路穩定直流輸出。

1 PI Expert 8簡介及設計過程

PI Expert 8是美國PI公司于2010年推出的新版專家系統，2012年又發布了升級版PI Expert 8.5。根據使用者的要求指標，它能夠確定開關電源的最佳拓撲電路，包括元器件選擇（確定輸入濾波電容器、漏極鉗位保護電路、高頻變壓器、輸出整流管等關鍵元器件的型號及參考值）和高頻變壓器的結構設計，能幫使用者完成一款簡單、實用的開關電源的設計[5]。這里使用的是PI Expert 8，下面介紹其設計過程。

打開PI Expert8設計軟件，單擊新建一個設計文件，運行PI Expert8設計導向，然后會彈出設計選項界面。該界面有六個選項，每個選項都有多種選擇。這里使用的是TOPSwitch-JX，默認的拓撲結構為反激式，采用EG（eSIP-7C）無鉛封裝，開關頻率選132 kHz，外形選擇敞開式結構，反饋類型選擇“TL431”。

單擊“下一個”，選擇交流默認值為通用的85～265 V的輸入范圍。

單擊“下一個”，進入輸出導向界面。首先勾上“峰值負載”，然后單擊“添加”，這里按照設計要求的兩路輸出，分別為24 V、0.5 A，15 V、0.5 A。

單擊“下一個”，輸入新設計文件名“24V和15V家用電氣電源制作”。

單擊“完成”，進入解決方案過濾器界面，選擇磁芯EE25。利用該面板可設置最佳解決方案的數目，并且能確定主輸出的匝數范圍和磁芯的尺寸范圍。

單擊“確定”，即可顯示六種組合方案供用戶選擇，根據需要選定一種方案。此外，單擊“打開”，通過下面的選擇，還能顯示印刷電路圖布局建議和變壓器構造。

2 開關電源電路原理圖設計

TOPSwitch-JX以經濟高效的方式將一個725 V的功率MOSFET、高壓開關電流源、多模式PWM控制器、振蕩器、熱關斷保護電路、故障保護電路及其他控制電路集成在一個單片器件內。TOP264采用多模式PWM控制技術，可充分提高所有負載條件下的效率，132 kHz工作頻率可減小變壓器及電源的尺寸。

以TOP264為核心的開關電源原理圖如圖1所示。圖2是開關電源的PCB圖。

3 高頻變壓器制作

高頻變壓器是構成開關電源的核心部件，它實現能量的傳輸、變換和電氣隔離。高頻變壓器的優劣對開關電源的性能影響很大，因此，設計出一個好的高頻變壓器很重要。影響高頻變壓器的指標有很多，磁芯和導線材料的選擇、磁芯截面積的大小、磁芯的氣隙寬度和變壓器的繞制方式等都有關系。endprint

變壓器骨架和鐵氧體磁芯選用EE25型號，初級繞組和偏置繞組選用漆包線，線徑都為0.45 mm，次級繞組則選用三層絕緣線，因其絕緣強度大、容易卷制的優點被廣泛使用，線徑選用0.35 mm。

在變壓器骨架上共有10個引腳，分兩排，從一端的左邊設定為1號引腳，然后按順時針方向設定為2～10號。

由于同名端的存在，從初級繞組哪個腳開始繞制就決定了其他繞組哪個腳開始繞制。這里從2號腳開始繞制，其中2，4，6，8為同名端。

1）初級繞組。從引腳2開始，使用線徑為0.45 mm的漆包線繞38圈，由于圈數比較多，要分兩到三層繞制：在第一層，從左向右繞制；第一層結束時，在第二層從右向左繼續繞制，方向一致。最后該繞組結束于引腳1。加上一層絕緣膠帶。

2）偏置繞組。從引腳4開始，同樣線徑為0.45 mm的漆包線繞六圈。這里是雙線并繞，繞制方向與初級繞組繞制的方向相同。最后該繞組結束于引腳3。加上三層絕緣膠帶。

3）次級繞組。從引腳6開始，使用線徑為0.35 mm的三層絕緣線繞七圈。這是也是雙線并繞，繞制方向與初級繞組繞制的方向相同。最后該繞組結束于引腳7。加上一層絕緣膠帶。

再者，從引腳8開始，同樣使用線徑為0.35 mm的三層絕緣線繞六圈。這里是單線繞組，繞制方向與初級繞組繞制的方向相同。最后該繞組結束于引腳6。加上兩層絕緣膠帶。

4）磁芯裝配和浸漬。裝配并用膠水固定兩個半磁芯，然后浸漬在絕緣油中。

4 電路調試

在最初的測試過程中，存在一個比較普遍的問題：對于多路輸出的開關電源來說，有反饋的那一路能夠穩定輸出電壓，而另外一路則不穩定。在調試過程之中，15 V輸出由于帶反饋所以電壓穩定，而24 V那路輸出則會一直升到30多伏，是虛壓，通過帶上一個假負載來實現穩定電壓。

5 結論

本文通過PI Expert軟件對小功率開關電源進行電路拓撲、元器件參數、變壓器參數設計，電路采用單端反激式拓撲，輸出兩路分別為24 V、15 V的直流電壓，輸出功率為19.5 W。

通過制作小功率開關電源這一實例，學生熟練掌握了電力電子設計軟件的使用、常用的元器件及選型、高頻變壓器的繞制，熟悉電路原理圖繪制、電路板布線及制作，掌握常用的硬件電路調試方法，最后完成電力電子電路制作的完整工藝流程，很大程度上提高了學生的硬件制作能力，促進本校應用型人才培養質量的提高。

參考文獻

[1]邢巖，劉建宏，龔春英，等.科研推動電力電子技術課程實踐性教學改革[J].電氣電子教學學報，2006，28（5）：81-84.

[2]程瓊，鄭建勇，廖冬初.“電力電子技術”課程改革新探討[J].電氣電子教學學報，2009，31（2）：13-14.

[3]李旭春，王春鳳.創新實踐教學，提高電力電子技術基礎課程教學效果[J].實驗技術與管理，2012，29（7）：11-13.

[4]陳新，王慧貞，龔春英，等.淺析“電力電子技術”專業課程教學[J].電氣電子教學學報，2010，32（1）：48-49.

[5]開關電源設計軟件[EB/OL].http：//www.power.com.endprint