TOPSwitch芯片单端反激式开关电源

2019-11-03 10:01:20

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供稿：网友

许永军

　　（东南大学电气工程系，江苏南京 210018）

　　摘　要：TOPSwitch器件是一种新型单片开关电源芯片，它除了一般的PWM控制功能外，还集成了自动重启功能，过流、过热保护

　　功能，大功率MOSFET等。本文介绍了TOPSwitch系列芯片的工作原理以及设计方法。使用它制作高频开关电源，具有成本低，电路简单，效率高等优点。

　　关键词：单片开关电源；脉宽调制

　　Design of Flyback Switching Power Supply Based on TOPSwitch Chip

　　XU Yong-jun

　　（Department of engineering , Southeast University, Nanjing 210018,China）

　　Abstract：The TOPSwitch element is a new type of integrated chip. Its internal functions include the oscillator, start-up bias-current source, circle-by-circle current limit, pulse width modulator (PWM), thermal shutdown, auto-restart and gate drive. This paper gives an overview of the PRinciple and design of TOPSwitch Chip. The switching power supply made by TOPSwitch element not only has the advantages of cheap and simple, but also has high energy efficiency.Key Words: Switch power supply; PWM

　　1 概述

　　开关电源因具有重量轻、体积小、效率高、稳压范围宽等优点，在电子电气、控制、计算机等许多领域的电子设备中得到了广泛的使用。TOPSwitch（Three-terminal Off-line PWM Switch）单片开关电源是美国PI (Power Integration ) 公司于上世纪90年代中期推出的新型高频开关电源芯片，被誉为"顶级开关电源"，它仅用了3个管脚就将脱线式开关电源所必需的具有高压N沟道功率MOS场效应管、电压型PWM控制器、100kHz高频振荡器、高压启动偏置电路、基准电压、用于环路补偿的并联偏置调整器、误差放大器和故障保护功能块等全部集成在一起了。采用TOPSwitch器件的开关电源与分立的MOSFET功率开关及PWM集成控制的开关电源相比，具有电路结构简洁、成本低廉、性能稳定、制作及调试方便, 自保护完善等优点。典型的TOPSwitch单端反激式开关电源电路原理图如图1所示。

　　图1 典型的TOPSwitch单端反激式开关电源电路原理图

　　2 TOPSwitch系列芯片工作原理

　　图2为TOPSwitch芯片的内部结构图，TOPSwitch芯片是一个自偏置、自保护的电流--占空比线性控制转换器。通常在控制极和源极之间，紧靠其管脚，并联一个外部旁路电容。

　　图2 TOPSwitch芯片的内部结构图

　　电源启动时，连接在漏极和源极之间的内部高压电流源向控制极充电，在RE两端产生压降，经RC滤波后，输入到PWM比较器的同相端，与振荡器产生的锯齿波电压相比较，产生脉宽调制信号并驱动MOSFET管，因而可通过控制极外接的电容充电过程来实现电路的软启动。当控制极电压Uc达到5.7V时，内部高压电流源关闭，此时由反馈控制电流向Uc供电。在正常工作阶段，由外界电路构成电压负反馈控制环，调节输出级MOSFET的占空比以实现稳压。当输出电压升高时，Uc升高，采样电阻RE上的误差电压亦升高。而在与锯齿波比较后，将使输出电压的占空比减小，从而使开关电源的电压减小。当控制极电压低于4.7V时，MOSFET管关闭，控制电路处于小电流等待状态，内部高压电流源重新接通并向Uc充电，其关断/自动复位滞回比较器可使Uc保持在4.7V~5.7V之间。图3所示是其运行波形图，中a图为正常运行波形，ｂ图为自动重启波形。自动重启电路具有一个八分频计数器，可以阻止输出级MOSFET再次导通，直到八个放电--充电周期完成为止。因此，在自动重启期间，占空比控制在５%左右可有效地限制芯片的功耗。自动重启动电路一直工作到Uc进入受控状态为止[1]。

　　图3 控制端电压波形图

　　3 开关电源的电路设计

　　1）选择TOPSwitch芯片的型号

　　设电源的输出总功率为，功率因素为（一般取＝80％），则输入功率，为了使芯片能稳定运行，另外还需要在考虑一定的设计余量（一般取10％以上）。TO-220(Y)封装的TOPSwitch－II系列芯片的负载能力如表1所示，根据计算出的功率值，选择相应的芯片。

　　2）输入整流滤波电路设计

　　选用TOP224Y芯片设计一台输出27W的开关电源，电路原理图如图4所示，输出电压为12V 1A和5V 3A。整流滤波电路包括输入交流滤波、整流、电容稳压三部分。S为电源选择开关，当S1闭合时选择110V倍压整流电路。R1和R2为均衡电阻，可以平衡C1，C2上的电压，避免某一电容因压降过高而被击穿，此外，在断电后这两只电阻还给电容提供了泄放回路。当S断开时就选择220V交流电，此时C1与C2相串联。

　　交流滤波可使用技术成熟的Π型滤波电路，具体参数推荐如下：去除差模干扰的C3和C4为0.1～2μＦ；去除共模干扰的C5、C6为2.2～33ｎＦ；Ｌ1为5～15ｍＨ，采取双线并绕。因C6的容量较大(0.47μF)，在其上并联电阻R20，在断电后C6经R12进行放电。

　　图4 开关电源电路原理图

　　3）变压器设计

　　单端反激式高频开关变压器是开关电源的关键器件，在电路中兼有储能、限流和隔离作用，又因流过电流直流成分，设计难度比较大，应精心设计，此外，要设计出性能优良的开关电源，高频变压器的参数值往往要经过多次调整。参考文献[2]中全面的讲解了高频变压器设计的各个要点，本文不在赘述。

　　4）输出整流滤波电路设计

　　输出整流滤波电路由整流二极管和滤波电容构成，输出整流二极管的开关损耗占系统损耗的六分之一到五分之一，是影响开关电源效率的主要因素，包括正向导通损耗和反向恢复损耗。由于肖特基二极管导通时正向压降较低，因此具有更低的正向导通损耗。此外，肖特基二极管反向恢复时间短，在降低反向恢复损耗，以及消除输出电压中的纹波方面有明显的性能优势，选用肖特基二极管作为整流二极管。对输出滤波电容，选用ESR(等效串联阻抗)低耐压高的电容[3]。

　　5）钳压齐纳管(VR1)和阻断二极管(VD1)的选择

　　每个开关周期内，TOPSwitch芯片的关断将导致变压器漏感产生尖峰电压。VR1和VD1构成的钳位电路防止了此电压对TOPSwitch芯片的损坏，VR1和VD1的选择由反射电压VOR决定，VOR推荐值为135Ｖ，VR1钳位电压VCLO可由经验公式VCLO=1.5VOR得出,VD1的耐压值应大于VMAX（变压器初级输入最大电压），并选择快恢复二极管。

　　6）反馈电路设计

　　外部误差放大器由TL431组成，＋5V输出电压经R10，R11分压后得到的取样电压，与TL431中的2.5V带隙基准电压进行比较。当＋5V输出端电压大于5V时，取样电压>2.5V，光耦U2(CNY17-2)使控制端电流Ic增大，TOP224Y的输出占空比减小，使＋5V输出端电压维持减小，达到稳压目的。光耦工作在线性状态，起隔离作用，如果所选光耦的CRT(电流放大率)上限超过200%，容易造成TOP224过压保护。相反，若CTR下限小于40%，占空比将不能随反馈电流的增大而减小，从而导致过流。因此，应选择CTR范围接近100%的光耦。

　　4 实验结果

　　1) 电压调整率：在额定负载情况下，当输入电压从85V AC～265V AC变化时，实测电路的电压调整率为：SV=ΔV/ＶO=0.8%；

　　2) 负载调整率：在额定输入电压下（220V AC），当负载从额定值的10%～100%变化时，实测电路的负载调整率为：Si=ΔＶ/ＶＯ=1.5%；

　　3) 效率：在额定输入电压及额定负载情况下，实测电路的效率为： =78.5%.

　　5 结束语

　　综上所述，采用TOPSwitch系列芯片设计的低功率开关电源，电路结构简单，效率高，成本低，输出电压性能好，有着很好的应用前景。

　　参考文献：

　　[1] 赵皊. 用TOPSwitch芯片设计的反激式开关电源[J]. 南京:现代雷达，2003，7(7)：50－53

　　[2] 沙占友. 新型开关电源的设计和应用[M]. 北京：电子工业出版社，2001.

　　[3] 潘腾，林明耀，李强. 基于TOP224Y芯片的单端反激式开关电源[J]. 北京：电力电子技术，2003，37(4) :20～22

摘自中外电源

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