基于TopswitchⅡ芯片開(kāi)關(guān)電源理論設(shè)計(jì)與仿真

　　3.1 PD，η， Po 關(guān)系曲線(xiàn)

　　寬范圍輸入的交流電壓為85~ 265 V， 在這種條件下，TOP221~ TOP227 系列單片開(kāi)關(guān)電源的P D，η，Po 關(guān)系曲線(xiàn)如下，見(jiàn)圖3、圖4。

　　圖3 寬范圍輸入且輸出為5 V 時(shí)PD ，η， Po 關(guān)系曲線(xiàn)。

　　圖4 寬范圍輸入且輸出為12 V 時(shí)PD，η， Po 關(guān)系曲線(xiàn)。

　　注意，這里假定交流輸入電壓最小值umin= 85 V，最高輸入電壓umax = 265 V.途中的橫坐標(biāo)代表輸出功率，而15 條虛線(xiàn)均為芯片功耗的等值線(xiàn)。

　　首先確定適用的曲線(xiàn)圖，例如，當(dāng)u= 85~ 265 V，Uo= + 5 V 時(shí)，應(yīng)該選擇圖3; 當(dāng)u= 220 V（ 即230 V-230 V× 4.3% ），Uo= + 12 V 時(shí)，就應(yīng)該選擇圖4; 然后在橫坐標(biāo)上找出欲設(shè)計(jì)的功率輸出點(diǎn)P o ; 從輸出功率點(diǎn)垂直向上移動(dòng)，知道選中合適芯片所指的那條曲線(xiàn)。如果不適用，可以繼續(xù)向上查找另一條實(shí)線(xiàn)； 然后從等值線(xiàn)（ 虛線(xiàn)） 上讀出芯片的功耗PD，進(jìn)而還可以求出芯片的結(jié)溫（ Tj ） 以確定散熱片的大小。

　　例如，設(shè)計(jì)輸出5 V， 30 W 的通用開(kāi)關(guān)電源時(shí)，就要選擇圖3.因?yàn)橥ㄓ瞄_(kāi)關(guān)電源輸入交流電壓范圍85~ 265 V.首先從橫坐標(biāo)上找到Po = 30 W 的輸出功率點(diǎn)，然后垂直上移，與T OP224 的實(shí)線(xiàn)相交于一點(diǎn)，由縱坐標(biāo)上查出該點(diǎn)的η= 71.2%，最后從經(jīng)過(guò)這點(diǎn)的那條等值線(xiàn)上，查得PD = 2.5 W.這表明，選擇TOP224 就能輸出30 W 功率，并且預(yù)期的電源效率為71.2%，芯片功耗為2.5 W.如果覺(jué)得指標(biāo)效率偏低，還可以繼續(xù)往上查T(mén)OP225 的實(shí)線(xiàn)。同理，選擇TOP225 也能輸出30 W 的功率，而預(yù)期的電源效率可以提高到75%，芯片功耗可以降低1.7 W.然后根據(jù)所得到的PD 值，還可以進(jìn)而完成散熱片設(shè)計(jì)。

　　3.2 等效輸出功率的修正

　　PD ，η， Po 關(guān)系曲線(xiàn)均對(duì)交流輸入電壓的最小值進(jìn)行了限制，umin = 85 V.如果交流輸入電壓最小值不符合上述的要求，就會(huì)直接影響芯片的正確選擇。此時(shí)必須從實(shí)際的交流輸入電壓u？ min最小值對(duì)應(yīng)的功率P‘o 折算成umin為規(guī)定值時(shí)的等效功率Po，才能使用上面的圖。功率修正的方法如下： 選擇使用的特性曲線(xiàn)，然后根據(jù)已知的u’min值查出折算系數(shù)K;將P ‘o折算成umin為規(guī)定值時(shí)的等效功率Po，表達(dá)公式P o=P’o / K;然后從圖3、圖4 中選用適當(dāng)?shù)年P(guān)系曲線(xiàn)。

　　圖5 寬范圍輸入時(shí)K 與u‘min 的關(guān)系。

　　例如設(shè)計(jì)12 V， 35 W 的通用開(kāi)關(guān)電源，已知umin= 90% × 115 V = 103.5 V.從圖5中查出K =1.15.將P ’o = 3.5 W， K = 1.15帶入P o= P ‘o / K 中，計(jì)算出Po= 30.4 W; 再根據(jù)Po 的值，從圖4 中查出選擇的最佳型號(hào)是T OP224 芯片，此時(shí)η = 81.6%，PD= 2 W.如果選擇了T OP223， 則η 降到73.5%，PD 增加到5 W， 顯然不合適。如果選擇T OP225 型，就會(huì)造成資源浪費(fèi)，因?yàn)樗萒OP224 的價(jià)格要高一些，而且適合輸出40~ 60 W 的更大的功率。

　　4 主要元件參數(shù)計(jì)算

　　4.1 變壓器變比的設(shè)計(jì)

　　開(kāi)關(guān)變壓器的變比與開(kāi)關(guān)變換電路的具體形式有關(guān)，正激、半橋變換電路中開(kāi)關(guān)變壓器的變比公式為：

　　式中，Uin，Uout分別為開(kāi)關(guān)變壓器的輸入和輸出電壓；Nin，Nout 分別為開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)和次級(jí)線(xiàn)圈的匝數(shù)。

　　當(dāng)輸入電壓最低時(shí)，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該按最低輸入電壓代入計(jì)算。

　　推挽電路的輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系公式為：

　　Uout= 2DUin/n

　　因此得到關(guān)系式：n= 2D Uin / Uout= N 1 / N 2.

　　輸入電壓最低時(shí)，占空比D 值最大，這時(shí)候仍然能保持設(shè)計(jì)要求的輸出電壓，所以上式的D 應(yīng)取最大值，Uin取最小值。

　　4.2 輸入濾波電容的選擇

　　輸入濾波電容器C 的容量與電源效率，輸出功率密切相關(guān)，對(duì)于寬范圍輸入的開(kāi)關(guān)電源，C 的容量取μF 為單位時(shí)，可按比例系數(shù)3μF/ W 來(lái)選取。例如當(dāng)Po= 30 W 時(shí)，C= （ 3μF/W）×30 W= 90μF， 以此類(lèi)推。在固定輸入時(shí)，比例系數(shù)變成1μF/W， 上例中的C 就變成30μF.在設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源時(shí)還要注意C 的容量誤差要盡量小，以免影響開(kāi)關(guān)電源的性能。當(dāng)C 的容量過(guò)小時(shí)，會(huì)降低TopswitchⅡ的可用功率。如果把30μF 改成20μF， 則輸出功率會(huì)降低15 %; 當(dāng)C《 20μF 時(shí)，會(huì)造成可用功率的明顯下降。

　　另外，C 容量的大小還決定直流高壓Ui 的數(shù)值，圖3、圖4 實(shí)際上是在Ui= 105 V 的情況下繪制的，這個(gè)充分體現(xiàn)了C 對(duì)Ui 的影響。

　　4.3 開(kāi)關(guān)管保護(hù)電路

　　在開(kāi)關(guān)芯片的漏極D 側(cè)可以利用VDZ 和VD 兩個(gè)二極管對(duì)高頻變壓器的漏感產(chǎn)生的尖峰電壓進(jìn)行箝位，可保護(hù)μ的D-S 極間不被擊穿。例如VDZ 可以選用瞬態(tài)電壓抑制器P6K200， 其反向擊穿電壓為200 V.VD 采用反向耐壓為600 V 的UF4005 型超快恢復(fù)二極管，亦稱(chēng)阻塞二極管。

　　5 應(yīng)用電路及其仿真

　　圖6給出了由TOPSwitch 構(gòu)成的反激式電源的原理圖。其工作過(guò)程如下： 輸入交流電經(jīng)整流橋BR1 整流后再經(jīng)電容C1 濾波，變?yōu)槊}動(dòng)的直流電。

　　反激式變壓器與TOPSwitch 將存儲(chǔ)于電容C1 的能量傳遞給負(fù)載。當(dāng)TOPswitch 開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電容C1兩端的電壓加到反激變壓器的原邊，流過(guò)原邊繞組的電流線(xiàn)性增加（ 如若