TOPSwitch_GX系列芯片的單端反激式開關電源設計

摘要：采用PWM控制器和MOSFET功率開關一體化的集成控制芯片是新一代開關電源設計的重要特點和趨勢。 本文介紹了一種采用TOP245Y集成芯片實現(xiàn)的開關電源。根據(jù)TOP245Y的特性給出了單端反激式開關電源的工程設計方法，對外圍電路的設計進行了分析和討論，并給出設計中注意事項。 敘詞：開關電源；單端反激；TOPSwitch_GX；PWM Abstract： the integration controlling chip, which integrated PWM controller and MOSFET power,is the important features and trends of the new generation Switch Mode Power Supply (SMPS). This paper introduced a kind of method to implement the SMPS using TOP245Y. According to the TOP245Y characteristics, the paper provides a engineering method to design of single-flyback switch mode power supply circuit. It analyzes and discusses the external circuit, and gives attention to the design matters Keyword：Switch Mode Power Supply, Single flyback, Topstitch_GX,PWM
1 引言

開關電源被稱為高效節(jié)能型電源，因為內(nèi)部電路工作在高頻開關狀態(tài)，自身消耗的能量很低，電源效率可達80%左右。而通常開關電源的設計使用控制電路與功率MOSFET相分立的拓撲結(jié)構(gòu)，但這種方案開發(fā)周期長，成本高，系統(tǒng)可靠性差。TOPSwitch系列智能開關電源集成芯片具有高集成度、高性價比、最簡外圍電路、最佳性能指標等優(yōu)點，從而提高了電源的效率，降低了成本，增強了系統(tǒng)的可靠性，因此被廣泛地應用在中小功率電源中。

2 TOPSwitch_GX器件介紹

TOPSwitch_GX系列是單片開關電源第四代產(chǎn)品，他將高壓功率MOSFET、PWM控制、過電流保護、過熱保護、關斷/自動重啟動電路和其他電路高性價比地集成在

單片CMOS上，還具有從芯片外部設定電流極限值、軟啟動、頻率抖動、過電壓關斷、欠電壓保護、過熱滯后關斷等功能[1]。通過高頻變壓器使輸出端與電網(wǎng)完全隔離，真正實現(xiàn)了無工頻變壓器、隔離式開關電源的單片集成化，使電源設計應用更加靈活、方便。

TOPSwitch_GX屬于漏極開路輸出并且利用電流來線性調(diào)節(jié)占空比的AC/DC電源變換器，即電流控制型開關電源。通過改變控制端電流IC的大小，能連續(xù)調(diào)節(jié)脈沖占空比，實現(xiàn)脈寬調(diào)制（PWM），它內(nèi)部的脈寬調(diào)制器是一個電流反饋式的控制電路，利用反饋電流IC來調(diào)節(jié)占空比D,達到穩(wěn)壓目的。當輸出電壓UO降低時，經(jīng)過光耦反饋電路使得IC減小，占空比增大，輸出電壓隨之升高，最終使UO維持不變。其中，脈寬調(diào)制（PWM）采用開關頻率固定而占空比可調(diào)的調(diào)試方式。

3 電路設計

圖1 設計的電路原理圖

以TOPSwitch_GX中的TOP245Y為例介紹此類控制芯片的應用。圖1是使用TOP245Y設計出的三路輸出＋15V/0.5A、－15V/0.5A、＋5V/2A，總輸出功率25W。由于TOPSwitch集成度高，設計工作主要針對外圍電路進行，外圍電路可分為輸入整流濾波電路、鉗位保護電路、變壓器、輸出整流濾波電路及反饋電路5部分[3]。設供電條件為85V~220VAC(15%)，工頻，若不加說明，以下設計均以此條件為前提，根據(jù)各路輸出功率之和，選擇TOPSwitch芯片，可得到該型號芯片的各項參數(shù)。

3.1輸入整流濾波電路設計

輸入整流濾波電路包括輸入交流濾波、整流、電容穩(wěn)壓三部分。交流濾波主要是濾除交流輸入端的共模干擾和差模干擾，其中C1為安規(guī)電容，是為了去除差模干擾；L1為共模電感，采取雙線并繞，是為了去除共模干擾。整流電路一般選用滿足電流閾值的整流橋。輸入濾波電容C2的容量與電源效率、輸出功率密切相關。一般對于寬范圍輸入的開關電源，C2的容量可按比例系數(shù)來選取；固定輸入時，比例系數(shù)變成。此外，輸入濾波電容的容量大小還決定著直流高壓的數(shù)值。

3.2鉗位保護電路設計

每個開關周期內(nèi)，TOPSwitch的關斷將導致變壓器漏感產(chǎn)生尖峰電壓。鉗位保護電路由VS和VD構(gòu)成。其中，VS為瞬態(tài)電壓抑制器，它是一種新型的過電壓保護器件，在承受瞬態(tài)高能量電壓時，能迅速反向擊穿，由高阻態(tài)變成低阻態(tài)，并把干擾脈沖鉗位于規(guī)定值，從而保證電子元器件不受損壞。VD稱為阻塞二極管，一般選用快恢復二極管。VS和VD的選擇由反射電壓VOR決定，VOR推薦值為135V。VS的鉗位電壓V 由經(jīng)驗公式V=1.5VOR得出；VD的耐壓值應大于整流后的最大電壓值。

3.3高頻變壓器設計

在單端反激式開關電源中，高頻變壓器既是儲能元件又是傳遞能量的主體，設計的主要參數(shù)包括初級電感量LP，變壓器變比 N，初、次級繞組匝數(shù)NP、NS和反饋繞組匝數(shù) NF 以及各繞組導線線徑等。

PI公司設計開發(fā)的開關電源設計軟件是一種交互式軟件，可以針對相關的硬件芯片、按照使用者提出的電源規(guī)范產(chǎn)生具體能量轉(zhuǎn)換方案。其中包括三個設計軟件分別是：PI Expert、PI Transformers Designer、PIXLs Designer[4]。根據(jù)輸入的電壓、輸出功率及芯片型號，PI Expert軟件可完成電路設計的基本結(jié)構(gòu)。PI Transformers Designer軟件是用來設計變壓器的繞線結(jié)構(gòu)、各繞組匝數(shù)及線徑等有關變壓器的各參數(shù)，只需把用PI Expert軟件設計保存的文件在PI Transformers Designer中打開即可。另外，也可以用PIXLs Designer軟件來設計成電子表格形式的，用此軟件必需要首先選定TOPSwitch型號和變壓器磁心型號，利用此軟件可以比較清楚地知道電路設計過程中的一些性能參數(shù)及變壓器設計的一些中間變量值。但是，在利用這類軟件設計高頻變壓器之前，必須對變壓器的設計過程及有關的一些名詞要有所了解，這樣才能設計出高效率高性能的變壓器。