小功率反激拓扑的仿真方法研究

　　今天给大家分享的是小功率反激拓扑的仿真分析方法。

　　作为一名硬件工程师，日常的原理设计，PCB layout，硬件调试等必不可少。不过现在市面上的电路仿真软件也越来越多样化，诸如Multisim，saber，Pspice，LTSpice，Proteus等等，这为前期电路方案的设计提供验证，同时节省了不少时间。

　　本文给大家推荐ADI公司的LTSpice软件，该软件支持模拟信号和数字信号的仿真，非常适合电源拓扑的仿真分析。

　　反激拓扑是由Buck-Boost拓扑演变而来，通过变压器实现初次级隔离，这里原理就不阐述了。

　　我们通过LTSpice搭建反激拓扑仿真电路，如下图。

　　

 

　　1.TNY280芯片介绍

　　电源控制芯片采用PI公司的TNY280，内置700V功率MOS管，拥有可调限流、振荡器、高压开关电流源以及热保护关断等功能。TNY280采用开/关控制方式，无需环路补偿，具有设计灵活，成本低，功率输出范围大等特点。

　　TNY280通过BP/M引脚电容值可选择不同的电流限流点，电流限流点越高，峰值功率越高，同时连续输出功率也越高;电流限流点低，可以提高系统的效率。

　　

 

　　该芯片导通时间延长，可以在更低输入电压下维持输出的稳定/维持时间, 能够使用更低容量的输入电解电容，同时降低了最大过载功率，从而降低变压器、初级箝位及次级元件的成本。 TNY280具有频率抖动的功能，在轻载和重载情况下，灵活调整开关频率，在优化系统效率的同时，降低了EMI。 TNY280可选择使用Zener实现输出过压关断，可选择使用一个电阻来设置输入欠压保护阈值，此外高带宽提供快速的无过冲启动及出色的瞬态负载响应。

　　2.原理设计分析

　　现在阐述一下各部分电路的设计：

　　1.变压器设计：变压器原边绕组电感量设置为350uH，次级电感量设置为16uH，漏感系数设置为0.98，基于Ae*Bm=n*Lp*Ip，选用EF20磁芯和骨架，Ae,Bm,n一定时，初级电感量较小时，原边峰值电流就较大，当TNY280限流点合理设置时，变压器不容易饱和。但初

　　级绕组感量不能很小，否则变压器理论输出功率会变小，带载能力差。

　　2.漏感吸收电路：一般分为RCD吸收和TVS吸收，两者的特点在于：RCD吸收电路将漏感能量通过RC的充放电形式进行消耗，EMI性能较好，但是效率较低;TVS吸收电路将漏感能量转换成热能的形式进行消耗，效率高，但是EMI性能较差。本次采用RCD吸收电路，其中R3和R5取值为100kΩ，C2取值1nF，D1和D2选用US1M(考虑极限电压应力需要2个US1M串联)。

　　3.IC芯片外围电路：TNY280 EN脚接光耦的输出引脚，作为控制内部PWM通断的控制信号。BP脚为限流点设置管脚(典型值5.85V，最大值6.15V)，C1电容值设置为0.01uF(数据手册中0.1uF对应限流点为750mA,1uF对应限流点为650mA,0.1uF对应限流点为

　　850mA)。BP脚影响启动时间，仿真中需要缩短启动时间，否则仿真会出现卡顿不收敛现象。此外，增加R10 1000K上拉增加可靠性，通过6.2V稳压管D4 钳位保护。由于TNY280内置700V MOS管，考虑变压器漏感和反射电压等因素，需要外置MOS管Q1进行分压，减少TNY280的电压应力，提高系统的可靠性。采用的外置MOS管型号为STP8NM60(650V/8A)，R6~R9取值为510K，为MOS管提供栅极电流，ZMY15稳压管U5为栅源极电压钳位，该电路能够使外置MOS管与TNY280同步开通和关断。U4和U6为TVS，为TNY280漏源极进行电压钳位，R13为TVS限流电阻，提高TVS使用寿命。U7为磁珠，改善原边电流尖峰，减小对外的EMI。

　　4.TL431反馈设计：TL431内部基准电压为2.5V，本次设计需要满足12V±5%的精度，故上下分压电阻R2和R12分别设置为12K和3K，理论输出电压值为12.5V。TL431的环路补偿参数R4和C4设置为1K和10nF。光耦U2作为初次极的隔离。--TL431电路案例详解+工作原理+功能引脚图

　　5.次级输出设计：半波整流二极管D3选用MUR460(600V/4A)，滤波电路采用Π型的CLC滤波，其中电感L4取值为1uH，假负载R11电阻为750Ω，防止空载状态下，输出电压值过高。

　　3.仿真设计参数性能

　　电路实现的具体参数性能如下：

　　1.输入电压：100-500VDC(宽电压范围)

　　2.输出电压：12V±0.5%(输出精度高)

　　3.输出平均电流：1A(带载能力)

　　4.输出峰值电流：1.5A(负载突变瞬态响应)

　　5.开关频率：50kHz-200kHz

　　6.效率：70%左右(峰值效率80%)

　　7.满足相关EMI标准要求

　　4.仿真结果

　　4.1基本电气参数

输入 电压	参数 指标	常态负载 500mA	重载 1A
500VDC	输出电压/电流	输出电压：12.3V~12.6V，输出电流：520mA	输出电压：12.3V~12.5V，输出电流：1.02A~1.05A
	漏源极电压	峰值电压680V	峰值电压740V
	原边电流	原边电流：0.88A，峰值电流：0.88A	原边电流：0.95A，峰值电流：1.22A
	开关频率和占空比	开关频率：130.617KHz，开关周期：7.656s，导通时间：545.6ns，占空比7.13%	开关频率：129.426KHz，开关周期：7.726s，导通时间：613ns，占空比7.93%
100VDC	输出电压/电流	输出电压：12.4V~12.6V，输出电流：520mA	输出电压：11.8V~12.0V，输出电流：0.98A~1.00A
	漏源极电压	峰值电压308V	峰值电压 340V
	原边电流	原边电流：0.74A，峰值电流：0.74A	原边电流：0.8A，峰值电流：0.8A
	开关频率和占空比	开关频率：130.606KHz，开关周期：7.656us，导通时间：2.645us，占空比34.55%	开关频率：134.506KHz，开关周期：7.43us，导通时间：2.79us，占空比37.55%

4.2负载突变  

输入电压	负载突变
100VAC	输出电压：11.5V~13.6V，突变电流峰值为1.5A
500VAC	输出电压：11.6V~13.5V，突变电流峰值为1.5A

4.3效率分析  

输入电压	效率分析和曲线图
100VAC
500VAC

4.4 EMI分析  

（传导频段：150kHz~30MHz，辐射频段：30MHz~1GHz）

注：辐射频段30MHz~1GHz电脑CPU算力不足，无法仿真

传导满足EN55022标准
 

输入电压	EMI波形分析
100VAC
500VAC

5.总结  

本文使用ADI公司的LTSpice软件，基于常规的小功率反激拓扑，进行基本电气参数、负载突变、效率、EMI等性能的分析，对于后期的硬件验证具有较好的指导意义。  

总之，LTSpice非常适合电源拓扑的仿真分析，硬件工程师们还是有必要掌握的。

*本文投稿人/作者： 闲云野鹤 

　　审核编辑：汤梓红