电力电子技术的小功率开关电源设计

刘金华++朱春媚

摘 要 通过PI Expert软件对小功率开关电源进行电路拓扑、元器件参数、变压器参数设计，给出电路原理图、PCB图，详述高频变压器的绕制和硬件调试过程。通过这一实例，学生完成电力电子电路制作的完整工艺流程，很大程度上提高了硬件制作能力，促进本校应用型人才培养质量的提高。

关键词 电力电子技术实验；教学改革；开关电源

中图分类号：G642.423 文献标识码：B

文章编号：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

电力电子技术课程是一门实践性非常强的课程。结合电子科技大学中山学院现有的硬件条件、应用型人才培养要求及学生动手实践能力，笔者提出“电力电子技术综合创新性实验教学改革”，旨在通过制作一些具体实例，提高学生硬件制作能力[1-4]。小功率开关电源设计与制作能够很好地满足要求。

现代开关电源具备高效率、体积小、稳定性高等多种优点，能够逐渐取代传统的线性稳压电源。随着电力电子技术的发展，电源的控制芯片上集成了越来越多的模块，这样一来，外围电路更加简单，同时也提高了供电的可靠性和工作效率。开关电源在电子、电气设备和家用电器等领域使用越来越广泛。

本文的小功率开关电源是为小功率家用电器提供电源，设计以现在流行的高效率、高节能的集成开关芯片PI公司TOP系列为基础，基于PI Expert 8软件设计电路参数。该电源采用单端反激式的电路拓扑结构，光耦与TL431的反馈电路设计，能够提供两路稳定直流输出。

1 PI Expert 8简介及设计过程

PI Expert 8是美国PI公司于2010年推出的新版专家系统，2012年又发布了升级版PI Expert 8.5。根据使用者的要求指标，它能够确定开关电源的最佳拓扑电路，包括元器件选择（确定输入滤波电容器、漏极钳位保护电路、高频变压器、输出整流管等关键元器件的型号及参考值）和高频变压器的结构设计，能帮使用者完成一款简单、实用的开关电源的设计[5]。这里使用的是PI Expert 8，下面介绍其设计过程。

打开PI Expert8设计软件，单击新建一个设计文件，运行PI Expert8设计导向，然后会弹出设计选项界面。该界面有六个选项，每个选项都有多种选择。这里使用的是TOPSwitch-JX，默认的拓扑结构为反激式，采用EG（eSIP-7C）无铅封装，开关频率选132 kHz，外形选择敞开式结构，反馈类型选择“TL431”。

单击“下一个”，选择交流默认值为通用的85～265 V的输入范围。

单击“下一个”，进入输出导向界面。首先勾上“峰值负载”，然后单击“添加”，这里按照设计要求的两路输出，分别为24 V、0.5 A，15 V、0.5 A。

单击“下一个”，输入新设计文件名“24V和15V家用电气电源制作”。

单击“完成”，进入解决方案过滤器界面，选择磁芯EE25。利用该面板可设置最佳解决方案的数目，并且能确定主输出的匝数范围和磁芯的尺寸范围。

单击“确定”，即可显示六种组合方案供用户选择，根据需要选定一种方案。此外，单击“打开”，通过下面的选择，还能显示印刷电路图布局建议和变压器构造。

2 开关电源电路原理图设计

TOPSwitch-JX以经济高效的方式将一个725 V的功率MOSFET、高压开关电流源、多模式PWM控制器、振荡器、热关断保护电路、故障保护电路及其他控制电路集成在一个单片器件内。TOP264采用多模式PWM控制技术，可充分提高所有负载条件下的效率，132 kHz工作频率可减小变压器及电源的尺寸。

以TOP264为核心的开关电源原理图如图1所示。图2是开关电源的PCB图。

3 高频变压器制作

高频变压器是构成开关电源的核心部件，它实现能量的传输、变换和电气隔离。高频变压器的优劣对开关电源的性能影响很大，因此，设计出一个好的高频变压器很重要。影响高频变压器的指标有很多，磁芯和导线材料的选择、磁芯截面积的大小、磁芯的气隙宽度和变压器的绕制方式等都有关系。endprint

变压器骨架和铁氧体磁芯选用EE25型号，初级绕组和偏置绕组选用漆包线，线径都为0.45 mm，次级绕组则选用三层绝缘线，因其绝缘强度大、容易卷制的优点被广泛使用，线径选用0.35 mm。

在变压器骨架上共有10个引脚，分两排，从一端的左边设定为1号引脚，然后按顺时针方向设定为2～10号。

由于同名端的存在，从初级绕组哪个脚开始绕制就决定了其他绕组哪个脚开始绕制。这里从2号脚开始绕制，其中2，4，6，8为同名端。

1）初级绕组。从引脚2开始，使用线径为0.45 mm的漆包线绕38圈，由于圈数比较多，要分两到三层绕制：在第一层，从左向右绕制；第一层结束时，在第二层从右向左继续绕制，方向一致。最后该绕组结束于引脚1。加上一层绝缘胶带。

2）偏置绕组。从引脚4开始，同样线径为0.45 mm的漆包线绕六圈。这里是双线并绕，绕制方向与初级绕组绕制的方向相同。最后该绕组结束于引脚3。加上三层绝缘胶带。

3）次级绕组。从引脚6开始，使用线径为0.35 mm的三层绝缘线绕七圈。这是也是双线并绕，绕制方向与初级绕组绕制的方向相同。最后该绕组结束于引脚7。加上一层绝缘胶带。

再者，从引脚8开始，同样使用线径为0.35 mm的三层绝缘线绕六圈。这里是单线绕组，绕制方向与初级绕组绕制的方向相同。最后该绕组结束于引脚6。加上两层绝缘胶带。

4）磁芯装配和浸渍。装配并用胶水固定两个半磁芯，然后浸渍在绝缘油中。

4 电路调试

在最初的测试过程中，存在一个比较普遍的问题：对于多路输出的开关电源来说，有反馈的那一路能够稳定输出电压，而另外一路则不稳定。在调试过程之中，15 V输出由于带反馈所以电压稳定，而24 V那路输出则会一直升到30多伏，是虚压，通过带上一个假负载来实现稳定电压。

5 结论

本文通过PI Expert软件对小功率开关电源进行电路拓扑、元器件参数、变压器参数设计，电路采用单端反激式拓扑，输出两路分别为24 V、15 V的直流电压，输出功率为19.5 W。

通过制作小功率开关电源这一实例，学生熟练掌握了电力电子设计软件的使用、常用的元器件及选型、高频变压器的绕制，熟悉电路原理图绘制、电路板布线及制作，掌握常用的硬件电路调试方法，最后完成电力电子电路制作的完整工艺流程，很大程度上提高了学生的硬件制作能力，促进本校应用型人才培养质量的提高。

参考文献

[1]邢岩，刘建宏，龚春英，等.科研推动电力电子技术课程实践性教学改革[J].电气电子教学学报，2006，28（5）：81-84.

[2]程琼，郑建勇，廖冬初.“电力电子技术”课程改革新探讨[J].电气电子教学学报，2009，31（2）：13-14.

[3]李旭春，王春凤.创新实践教学，提高电力电子技术基础课程教学效果[J].实验技术与管理，2012，29（7）：11-13.

[4]陈新，王慧贞，龚春英，等.浅析“电力电子技术”专业课程教学[J].电气电子教学学报，2010，32（1）：48-49.

[5]开关电源设计软件[EB/OL].http：//www.power.com.endprint