基于TopswitchⅡ型開(kāi)關(guān)芯片的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)

本文介紹了開(kāi)關(guān)電源的基本原理，以及TopswitchⅡ型開(kāi)關(guān)芯片的結(jié)構(gòu)，探討了基于該芯片小功率通用開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)過(guò)程中開(kāi)關(guān)管的選型，主要元件參數(shù)的計(jì)算等問(wèn)題。

引言

開(kāi)關(guān)電源本身種類繁多，設(shè)計(jì)方法也復(fù)雜多樣，因此研究一種簡(jiǎn)潔的方法去快速設(shè)計(jì)出所需要的通用型高效率，低廉價(jià)格的開(kāi)關(guān)電源是很有必要的。

1開(kāi)關(guān)電源工作原理

開(kāi)關(guān)直流穩(wěn)壓電源是基于方波電壓的平均值與其占空比成正比以及電感、電容電路的積分特性而形成的。其基本工作原理是，先對(duì)輸入交流電壓整流，從而形成脈動(dòng)直流電壓，經(jīng)過(guò)DC-DC變換電路變壓，再通過(guò)斬波電路形成了不同脈沖寬度的高頻交流電，然后對(duì)其整流濾波輸出需要電壓電流波形。如果輸出電壓波形偏離所需值，便有電流或電壓采樣電路進(jìn)行取樣反饋，經(jīng)過(guò)與比較電路的電壓值進(jìn)行參數(shù)比較，把差值信號(hào)放大，從而控制開(kāi)關(guān)電路的脈沖頻率f和占空比D，以此來(lái)控制輸出端的導(dǎo)通狀態(tài)。因此，輸出端便可以得到所需的電壓電流值。

如圖1，將開(kāi)關(guān)電源模塊劃分為以下幾個(gè)部分。

根據(jù)電力系統(tǒng)的實(shí)際需要，通過(guò)對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行分析，便可以設(shè)計(jì)出相應(yīng)的開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品。


圖1開(kāi)關(guān)電源原理框圖。

2 TopswitchⅡ簡(jiǎn)介

TOPSwitchⅡ是POWER公司生產(chǎn)的高集成的用于開(kāi)關(guān)電源的專用芯片。它將功率開(kāi)關(guān)管與其控制電路集成于一個(gè)芯片內(nèi)，并具有自動(dòng)復(fù)位，過(guò)熱保護(hù)與過(guò)流保護(hù)等功能，其功能原理圖如圖2所示。當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，D引腳變?yōu)楦唠娢?，?nèi)部電流源開(kāi)始工作且片內(nèi)開(kāi)關(guān)在0位，TOPSwitch給并接在C引腳的電容C5（見(jiàn)圖2）充電。當(dāng)C5端電壓達(dá)到5.7 V后，自動(dòng)重起電路關(guān)閉，片內(nèi)開(kāi)關(guān)跳到1位。C5一方面提供TOPSwitch內(nèi)部控制電路的電源，使誤差放大器開(kāi)始工作，另一方面提供一反饋電流以控制開(kāi)關(guān)管的占空比。MOSFET開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由內(nèi)部振蕩電路、保護(hù)電路和誤差放大電路共同產(chǎn)生。C5兩端的電壓愈高，MOSFET開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比愈小。

3 TOPSwitch芯片的選型

在設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源時(shí)，首先就要面臨如何選擇合適的開(kāi)關(guān)電源控制芯片。在選擇芯片的時(shí)候，要既能滿足要求，又不因?yàn)檫x型造成資源的浪費(fèi)。下面就介紹利用TopswitchⅡ系列開(kāi)關(guān)電源的功率損耗（PD）與電源效率（η），輸出功率（Po）關(guān)系曲線，快速選擇芯片的型號(hào)，從而完成寬范圍輸入的通用開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)。


圖2 TOPSwitch芯片內(nèi)部原理圖

3.1 PD，η，Po關(guān)系曲線

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。


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

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條虛線均為芯片功耗的等值線。

首先確定適用的曲線圖，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。如果不適用，可以繼續(xù)向上查找另一條實(shí)線；然后從等值線（虛線）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TOP225的實(shí)線。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Po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，然后根據(jù)已知的umin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=Po / K；然后從圖3、圖4中選用適當(dāng)?shù)年P(guān)系曲線。


圖5寬范圍輸入時(shí)K與umin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。