TOPSwitch芯片單端反激式開關電源

2019-11-03 10:01:20

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供稿：網友

許永軍

　　（東南大學電氣工程系，江蘇南京 210018）

　　摘　要：TOPSwitch器件是一種新型單片開關電源芯片，它除了一般的PWM控制功能外，還集成了自動重啟功能，過流、過熱保護

　　功能，大功率MOSFET等。本文介紹了TOPSwitch系列芯片的工作原理以及設計方法。使用它制作高頻開關電源，具有成本低，電路簡單，效率高等優點。

　　關鍵詞：單片開關電源；脈寬調制

　　Design of Flyback Switching Power Supply Based on TOPSwitch Chip

　　XU Yong-jun

　　（Department of engineering , Southeast University, Nanjing 210018,China）

　　Abstract：The TOPSwitch element is a new type of integrated chip. Its internal functions include the oscillator, start-up bias-current source, circle-by-circle current limit, pulse width modulator (PWM), thermal shutdown, auto-restart and gate drive. This paper gives an overview of the PRinciple and design of TOPSwitch Chip. The switching power supply made by TOPSwitch element not only has the advantages of cheap and simple, but also has high energy efficiency.Key Words: Switch power supply; PWM

　　1 概述

　　開關電源因具有重量輕、體積小、效率高、穩壓范圍寬等優點，在電子電氣、控制、計算機等許多領域的電子設備中得到了廣泛的使用。TOPSwitch（Three-terminal Off-line PWM Switch）單片開關電源是美國PI (Power Integration ) 公司于上世紀90年代中期推出的新型高頻開關電源芯片，被譽為"頂級開關電源"，它僅用了3個管腳就將脫線式開關電源所必需的具有高壓N溝道功率MOS場效應管、電壓型PWM控制器、100kHz高頻振蕩器、高壓啟動偏置電路、基準電壓、用于環路補償的并聯偏置調整器、誤差放大器和故障保護功能塊等全部集成在一起了。采用TOPSwitch器件的開關電源與分立的MOSFET功率開關及PWM集成控制的開關電源相比，具有電路結構簡潔、成本低廉、性能穩定、制作及調試方便, 自保護完善等優點。典型的TOPSwitch單端反激式開關電源電路原理圖如圖1所示。

　　圖1 典型的TOPSwitch單端反激式開關電源電路原理圖

　　2 TOPSwitch系列芯片工作原理

　　圖2為TOPSwitch芯片的內部結構圖，TOPSwitch芯片是一個自偏置、自保護的電流--占空比線性控制轉換器。通常在控制極和源極之間，緊靠其管腳，并聯一個外部旁路電容。

　　圖2 TOPSwitch芯片的內部結構圖

　　電源啟動時，連接在漏極和源極之間的內部高壓電流源向控制極充電，在RE兩端產生壓降，經RC濾波后，輸入到PWM比較器的同相端，與振蕩器產生的鋸齒波電壓相比較，產生脈寬調制信號并驅動MOSFET管，因而可通過控制極外接的電容充電過程來實現電路的軟啟動。當控制極電壓Uc達到5.7V時，內部高壓電流源關閉，此時由反饋控制電流向Uc供電。在正常工作階段，由外界電路構成電壓負反饋控制環，調節輸出級MOSFET的占空比以實現穩壓。當輸出電壓升高時，Uc升高，采樣電阻RE上的誤差電壓亦升高。而在與鋸齒波比較后，將使輸出電壓的占空比減小，從而使開關電源的電壓減小。當控制極電壓低于4.7V時，MOSFET管關閉，控制電路處于小電流等待狀態，內部高壓電流源重新接通并向Uc充電，其關斷/自動復位滯回比較器可使Uc保持在4.7V~5.7V之間。圖3所示是其運行波形圖，中a圖為正常運行波形，ｂ圖為自動重啟波形。自動重啟電路具有一個八分頻計數器，可以阻止輸出級MOSFET再次導通，直到八個放電--充電周期完成為止。因此，在自動重啟期間，占空比控制在５%左右可有效地限制芯片的功耗。自動重啟動電路一直工作到Uc進入受控狀態為止[1]。

　　圖3 控制端電壓波形圖

　　3 開關電源的電路設計

　　1）選擇TOPSwitch芯片的型號

　　設電源的輸出總功率為，功率因素為（一般取＝80％），則輸入功率，為了使芯片能穩定運行，另外還需要在考慮一定的設計余量（一般取10％以上）。TO-220(Y)封裝的TOPSwitch－II系列芯片的負載能力如表1所示，根據計算出的功率值，選擇相應的芯片。

　　2）輸入整流濾波電路設計

　　選用TOP224Y芯片設計一臺輸出27W的開關電源，電路原理圖如圖4所示，輸出電壓為12V 1A和5V 3A。整流濾波電路包括輸入交流濾波、整流、電容穩壓三部分。S為電源選擇開關，當S1閉合時選擇110V倍壓整流電路。R1和R2為均衡電阻，可以平衡C1，C2上的電壓，避免某一電容因壓降過高而被擊穿，此外，在斷電后這兩只電阻還給電容提供了泄放回路。當S斷開時就選擇220V交流電，此時C1與C2相串聯。

　　交流濾波可使用技術成熟的Π型濾波電路，具體參數推薦如下：去除差模干擾的C3和C4為0.1～2μＦ；去除共模干擾的C5、C6為2.2～33ｎＦ；Ｌ1為5～15ｍＨ，采取雙線并繞。因C6的容量較大(0.47μF)，在其上并聯電阻R20，在斷電后C6經R12進行放電。

　　圖4 開關電源電路原理圖

　　3）變壓器設計

　　單端反激式高頻開關變壓器是開關電源的關鍵器件，在電路中兼有儲能、限流和隔離作用，又因流過電流直流成分，設計難度比較大，應精心設計，此外，要設計出性能優良的開關電源，高頻變壓器的參數值往往要經過多次調整。參考文獻[2]中全面的講解了高頻變壓器設計的各個要點，本文不在贅述。

　　4）輸出整流濾波電路設計

　　輸出整流濾波電路由整流二極管和濾波電容構成，輸出整流二極管的開關損耗占系統損耗的六分之一到五分之一，是影響開關電源效率的主要因素，包括正向導通損耗和反向恢復損耗。由于肖特基二極管導通時正向壓降較低，因此具有更低的正向導通損耗。此外，肖特基二極管反向恢復時間短，在降低反向恢復損耗，以及消除輸出電壓中的紋波方面有明顯的性能優勢，選用肖特基二極管作為整流二極管。對輸出濾波電容，選用ESR(等效串聯阻抗)低耐壓高的電容[3]。

　　5）鉗壓齊納管(VR1)和阻斷二極管(VD1)的選擇

　　每個開關周期內，TOPSwitch芯片的關斷將導致變壓器漏感產生尖峰電壓。VR1和VD1構成的鉗位電路防止了此電壓對TOPSwitch芯片的損壞，VR1和VD1的選擇由反射電壓VOR決定，VOR推薦值為135Ｖ，VR1鉗位電壓VCLO可由經驗公式VCLO=1.5VOR得出,VD1的耐壓值應大于VMAX（變壓器初級輸入最大電壓），并選擇快恢復二極管。

　　6）反饋電路設計

　　外部誤差放大器由TL431組成，＋5V輸出電壓經R10，R11分壓后得到的取樣電壓，與TL431中的2.5V帶隙基準電壓進行比較。當＋5V輸出端電壓大于5V時，取樣電壓>2.5V，光耦U2(CNY17-2)使控制端電流Ic增大，TOP224Y的輸出占空比減小，使＋5V輸出端電壓維持減小，達到穩壓目的。光耦工作在線性狀態，起隔離作用，如果所選光耦的CRT(電流放大率)上限超過200%，容易造成TOP224過壓保護。相反，若CTR下限小于40%，占空比將不能隨反饋電流的增大而減小，從而導致過流。因此，應選擇CTR范圍接近100%的光耦。

　　4 實驗結果

　　1) 電壓調整率：在額定負載情況下，當輸入電壓從85V AC～265V AC變化時，實測電路的電壓調整率為：SV=ΔV/ＶO=0.8%；

　　2) 負載調整率：在額定輸入電壓下（220V AC），當負載從額定值的10%～100%變化時，實測電路的負載調整率為：Si=ΔＶ/ＶＯ=1.5%；

　　3) 效率：在額定輸入電壓及額定負載情況下，實測電路的效率為： =78.5%.

　　5 結束語

　　綜上所述，采用TOPSwitch系列芯片設計的低功率開關電源，電路結構簡單，效率高，成本低，輸出電壓性能好，有著很好的應用前景。

　　參考文獻：

　　[1] 趙皊. 用TOPSwitch芯片設計的反激式開關電源[J]. 南京:現代雷達，2003，7(7)：50－53

　　[2] 沙占友. 新型開關電源的設計和應用[M]. 北京：電子工業出版社，2001.

　　[3] 潘騰，林明耀，李強. 基于TOP224Y芯片的單端反激式開關電源[J]. 北京：電力電子技術，2003，37(4) :20～22

摘自中外電源

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