PI案例：超寬范圍輸入的開關電源電路設計

開關電源基于自身的體積小巧和轉(zhuǎn)換效率高的特點已在電子產(chǎn)品中得到了廣泛的應用，特別是美國PI公司開發(fā)的TOPSwitch系列高頻開關電源集成芯片的出現(xiàn)，使電路設計更為標準成熟、簡潔便捷。

但該TOPSwitch系列的集成芯片其典型輸入電壓設計為不高于275V的情況下工作，在工業(yè)現(xiàn)場，電網(wǎng)的電壓往往受用電負載的變化而變動，特別是負載較大時情況尤其嚴重，另外現(xiàn)場環(huán)境的干擾尖峰也會疊加在輸入電壓上一起進入電源電路，致使在惡劣環(huán)境下正常供電的電源芯片或其它的元件極其容易損壞。超寬范圍輸入的電源可在輸入80～400V的范圍內(nèi)正常工作，同時也為現(xiàn)場任意采用220V相電壓或380V線電壓，還是一次高壓互感器出來的100V電壓，均可直接使用提供了方便。

基于TOP242N的多路實用開關電源的設計

本文利用了TOP242N設計了一個實用的三路輸出的開關電源，其輸出分別為5V／0．6A、5V／0．1A、15V／0．15A，電路原理圖如圖1所示。要求輸入電壓范圍為交流80～400V，輸出總功率約為6W左右。

前端電路設計

當輸入電壓要求為AC400V時，考慮輸入時電源的波動變化為±15％，則最高輸入電壓將達到460V左右，此輸入電壓經(jīng)整流濾波后，其電壓可達650V左右，再考慮加上輸出反饋的電壓Uor和漏感形成的尖峰電壓疊加后其最高電壓將超過800V，而該芯片的最高電壓為700V，為了保證TOP242能正常安全工作，在設計前端電路時增加了一個MOS管，讓MOS管與TOP242串接，并實現(xiàn)與TOP管同步開關來提高整體耐壓。本設計采用的MOS管是IR公司的IRFBC20，其耐壓為600V，導通關斷時間為幾十個ns，這可以大大減少開關損耗。MOS管的通斷由TOP242N控制，這樣可以使MOS管和TOP242N內(nèi)部的開關管時序保持一致，見圖1。

外圍控制電路設計

該電路將TOP242N的極限電流設置為內(nèi)部最大值，將TOP242N設為全頻工作方式，開關頻率為132kHz，把多功能腳M與S短接。

穩(wěn)壓反饋電路設計

反饋回路的形式由輸出電壓的精度決定，本設計采用“光耦加TL431”的反饋方式，見圖1。它可以將輸出電壓的變動控制在±1％以內(nèi)，反饋電壓由5V輸出端取樣。電壓反饋信號通過電阻分壓器R10、R11獲得取樣電壓后，將與TL431中的2．5V基準電壓進行比較并輸出誤差電壓，然后通過光耦改變TOP242N的控制端電流Lc，再通過改變占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓使其保持不變。光耦的另一作用是對冷地和熱地進行隔離。尖峰電壓經(jīng)R8、C4濾波后，可使偏置電壓即使在負載較重時，也能保持穩(wěn)定，調(diào)節(jié)電阻R10、R11可改變輸出電壓的大小。

高頻變壓器設計

一般應選用能夠滿足高頻開關的錳鋅鐵氧體磁心，為便于繞制，磁心形狀可選用EI或EE型，變壓器的初、次級繞組應相間繞制。高頻變壓器的設計由于要考慮大量的相互關聯(lián)變量，因此計算較為復雜，為減輕設計者的工作量，PI公司為TOPSwitch開關電源的高頻變壓器設計制作了專用的設計軟件，設計者可以方便地應用該軟件設計高頻變壓器。

次級輸出電路設計

輸出整流濾波電路由整流二極管和濾波電容構(gòu)成。整流二極管選用肖特基二極管可降低損耗并消除輸出電壓的紋波，但肖特基二極管應加上功率較大的散熱器；電容器一般應選擇低ESR等效串聯(lián)阻抗的電容。為提高輸出電壓的濾波效果，濾除高頻開關過程所產(chǎn)生的電壓噪聲和電壓尖峰，在整流濾波環(huán)節(jié)的后面通常應再加一級LC濾波環(huán)節(jié)。

保護電路設計

為了保護電源在瞬間高壓下能正常工作，在電源的輸入端還設計了附加的過電壓保護措施，見圖1，即在輸入端并接了較大功率的壓敏電阻，并且在后級加上共模電感和負溫度系數(shù)的熱敏電阻，可有效的抑制開機瞬間的電壓浪涌沖擊。為防止在開關周期內(nèi)，TOP242N關斷時漏感產(chǎn)生的尖峰電壓使TOP242N損壞，電路中設計了由鉗位齊納管VD5、阻斷二極管VD6組成的保護網(wǎng)絡。該網(wǎng)絡在正常工作時，VD5上的損耗很??；而在啟動或過載時，VD5即會限制漏極電壓。

電源性能測試及結(jié)果分析

根據(jù)以上設計方法，對采用TOP242N設計的多路輸出開關電源的性能進行了測試。實測結(jié)果表明，該電源在交流輸入60～500V時，且在60°高溫條件下，電源都能可靠穩(wěn)定工作，電源的效率約為85％以上，紋波電壓、輸出電壓穩(wěn)定精度都在規(guī)定的范圍內(nèi)。在EMC測試中，浪涌±4000V，快速脈沖群土4000V也能正常工作，各項性能指標經(jīng)測試均較滿意。

如本文所述，由于在前端設計時增加了串接的場效應管同步開關，使集成芯片TOP242的工作電壓范圍大大擴展，有效地提高了開關電源在工業(yè)現(xiàn)場各種環(huán)境下工作的可靠性和便利性，實用性能強。本文的設計原理可應用在TOPSwitch系列或其它系列的電源集成芯片的耐壓擴展，有較好的應用效果。