單片開關電源的基本原理

　　目前生產的單片開關電源主要有TOPSwitch、TOPSwitch－II、TinySwitch、TNY256、MC33370和TOPSwitch－EX六大系列；此外，還有L4960系列、L4970/L4970A系列單片開關式穩(wěn)壓器。共八大系列，80 余種型號。根據(jù)引出端的數(shù)量，可劃分成三端、四端、五端、多端4種類型。下面以美國PI公司生產的 TOPSwitch系列的產品為例，介紹單片開關電源的基本原理和典型應用。

　　TOPSwitch系列單片開關電源的典型應用電路如圖1所示。高頻變壓器在電路中具各能量存儲、隔離輸出 和電壓變換3大功能。由圖可見，高頻變壓器初級繞組Np的極性（同名端用黑點表示），恰好與次級繞組 Ns、反饋繞組NF的極性相反。這表明在TOPSwitch導通時，電能就以磁場能量形式存儲在初級繞組中，此 時VD2截止。當TOPSwitch截止時，VD2導通，能量傳輸給次級，此即反激式開關電源的特點。圖中，BR為 整流橋，CIN為輸人端濾波電容。交流電壓u經過整流濾波后得到直流高壓UI，經過初級繞組加至 TOPSwitch的漏極上。鑒于在TOPSwitch關斷時刻，由高頻變壓器漏感產生的尖峰電壓會疊加在直流高壓UI 和感應電壓UOR上，可使功率開關管的漏極電壓超過700V而損壞芯片，為此在初級繞組兩端必須增加漏極 鉗位保護電路。鉗位電路由瞬態(tài)電壓抑制器或穩(wěn)壓管（VDz1）、阻尼二極管（VD1）組成，VD1宜采用超快 恢復二極管（SRD）。VD2為次級整流管，COUT是輸出端濾波電容。

圖1 單片機開關電源典型應用電路

　　該電源采用配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路。反饋繞組電壓經過VD3，CF整流濾波后獲得反饋電壓UFB，經光耦 合器中的光敏三極管給TOPSwitch的控制端提供偏壓。CT是控制端C的旁路電容。設穩(wěn)壓管VDz2的穩(wěn)定電壓 為Uz2，限流電阻R1，兩端的壓降為UR，光耦合器中LED發(fā)光二極管的正向電壓降為UF，輸出電壓Uo由下式 設定

　　該電源的穩(wěn)壓原理簡述如下：當由于某種原因（如交流電壓升高或負載變輕）致使Uo升高時，因Uz2不變 ，故UF就隨之升高，使LED的工作電流IF，增大，再通過光耦合器使TOPSwitch的控制端電流IC，增大。但 因TOPSwitch的輸出占空比ε與IC，成反比，故ε減小，這就迫使Uo。降低，達到穩(wěn)壓目的。反之，Uo↓ →Uf↓→IF↓→IC↓→ε↑→Uo↑，同樣起到穩(wěn)壓的作用。由此可見，反饋電路正是通過調節(jié)TOPSwitch 的占空比，使輸出電壓趨于穩(wěn)定的。

　　1．單片開關電源的兩種工作模式

　　單片開關電源由兩種工作模式，一種是連續(xù)模式CUM（Continuous Mode），另一種是不連續(xù)模式DUM（Discontinuous Mode）。這兩種模式的開關電流波形分別如圖2（a）、（b）所示。由圖可見，在連續(xù)模式下，初級開關電流是從一定幅度開始的，然后上升到峰值，再迅速回零。其開關電流波形呈梯形。這表明在連續(xù)模式下，存儲在高頻變壓器的能量在每個開關周期內并未完全釋放掉，所以下一開關周期具有一個初始能量。采用連續(xù)模式可減小初級峰值電流IP，和有效值電流IRMS，并降低芯片的功耗。但連續(xù)模式要求增大初級電感量LP，這會導致高頻變壓器體積增大。綜上所述，連續(xù)模式適用于輸出功率較小的TOPSwitch和尺寸較大的高頻變壓器。三端單片開關電源大多設計在連續(xù)模式。

　　不連續(xù)模式的開關電流則是從零開始上升到峰值，再降至零的。這意味著存儲在高頻變壓器中的能量必須在每個開關周期內完全釋放掉，其開關電流波形呈三角形。不連續(xù)模式下的IP，IRMS值較大，但所需的LP較小。因此，它適合采用輸出功率較大的TOPSwitch，并配尺寸較小的高頻變壓器。

圖2 兩種模式的開關電流波形

　　2．反饋電路的4種基本類型

　　單片開關電源的電路可以千變萬化，但其反饋電路只有4種基本類型：①基本反饋電路；②改進型反饋電路；③配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路；④配TL43 1的精密光耦反饋電路。它們的簡化電路分別如圖3（a）～（d）所示。

圖3 反饋電路的四種類型

　　圖3（a）為基本反饋電路，其優(yōu)點是電路簡單、成本低廉，適于制作小型化、經濟性開關電源；其缺點是穩(wěn)壓性能較差，電壓調整率Sv＝±1.5％～±2％，負載調整率SI≈±5％。

　　圖3（b）為改進型反饋電路，只需增加一只穩(wěn)壓管VDz和電阻R1即可使負載調整率達到2％。VDz的穩(wěn)定電壓一般為22V，需相應增加反饋繞組的匝數(shù)，以獲得較高的反饋電壓UFB，滿足電路的需要.

　　圖3（c）是配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路。由VDz提供參考電壓Uz，當Uo發(fā)生波動時，在LED上可獲得誤差電壓。因此，該電路相當于給TOPSwitch增加一個外部誤差放大器，再與內部誤差放大器配合使用，即可對Uo進行調整。這種反饋電路能使負載調整率達到±1％以下。

　　圖3（d）是配TL43 I的精密光耦反饋電路，其電路較復雜，但穩(wěn)壓性能最佳。這里用TL431型可調式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器來代替穩(wěn)壓管，構成外部誤差放大器，進而對嘰進行精細調整，可使電壓調整率和負載調整率均達到±0.2％，能與線性穩(wěn)壓電源相媲美。這種反饋電路適于構成精密開關電源。

　　在設計單片開關電源時，應根據(jù)實際情況來選擇合適的反饋電路，才能達到規(guī)定的技術指標和經濟指標。