标题:
基于TopswitchⅡ型开关芯片的开关电源设计
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作者:
porereading
时间:
2014-7-6 18:58
标题:
基于TopswitchⅡ型开关芯片的开关电源设计
本文介绍了开关电源的基本原理，以及
Topswitch
Ⅱ
型开关芯片的结构，探讨了基于该芯片小功率通用开关电源的设计过程中开关管的选型，主要元件参数的计算等问题。
引言
开关电源本身种类繁多，设计方法也复杂多样，因此研究一种简洁的方法去快速设计出所需要的通用型高效率，低廉价格的开关电源是很有必要的。
1
开关电源工作原理
开关直流稳压电源是基于方波电压的平均值与其占空比成正比以及电感、电容电路的积分特性而形成的。其基本工作原理是，先对输入交流电压整流，从而形成脉动直流电压，经过
DC-DC
变换电路变压，再通过斩波电路形成了不同脉冲宽度的高频交流电，然后对其整流滤波输出需要电压电流波形。如果输出电压波形偏离所需值，便有电流或电压采样电路进行取样反馈，经过与比较电路的电压值进行参数比较，把差值信号放大，从而控制开关电路的脉冲频率
f
和占空比
D
，以此来控制输出端的导通状态。因此，输出端便可以得到所需的电压电流值。
如图
1
，将开关电源模块划分为以下几个部分。
根据电力系统的实际需要，通过对各个部分进行分析，便可以设计出相应的开关电源产品。
图
1
开关电源原理框图。
2Topswitch
Ⅱ
简介
TOPSwitch
Ⅱ
是
POWER
公司生产的高集成的用于开关电源的专用芯片。它将功率开关管与其控制电路集成于一个芯片内，并具有自动复位，过热保护与过流保护等功能，其功能原理图如图
2
所示。当系统上电时，
D
引脚变为高电位，内部电流源开始工作且片内开关在
0
位，
TOPSwitch
给并接在
C
引脚的电容
C5
（见图
2
）充电。当
C5
端电压达到
5.7 V
后，自动重起电路关闭，片内开关跳到
1
位。
C5
一方面提供
TOPSwitch
内部控制电路的电源，使误差放大器开始工作，另一方面提供一反馈电流以控制开关管的占空比。
MOSFET
开关管的驱动信号由内部振荡电路、保护电路和误差放大电路共同产生。
C5
两端的电压愈高，
MOSFET
开关管驱动脉冲的占空比愈小。
3TOPSwitch
芯片的选型
在设计开关电源时，首先就要面临如何选择合适的开关电源控制芯片。在选择芯片的时候，要既能满足要求，又不因为选型造成资源的浪费。下面就介绍利用
Topswitch
Ⅱ
系列开关电源的功率损耗（
PD
）与电源效率（
η
），输出功率（
Po
）关系曲线，快速选择芯片的型号，从而完成宽范围输入的通用开关电源的设计。
图
2 TOPSwitch
芯片内部原理图
3.1 PD
，
η
，
Po
关系曲线
宽范围输入的交流电压为
85~ 265V
，在这种条件下，
TOP221~TOP227
系列单片开关电源的
PD
，
η
，
Po
关系曲线如下，见图
3
、图
4.
图
3
宽范围输入且输出为
5 V
时
PD
，
η
，
Po
关系曲线。
图
4
宽范围输入且输出为
12 V
时
PD
，
η
，
Po
关系曲线。
注意，这里假定交流输入电压最小值
umin= 85V
，最高输入电压
umax =265 V.
途中的横坐标代表输出功率，而
15
条虚线均为芯片功耗的等值线。
首先确定适用的曲线图，例如，当
u= 85~265 V
，
Uo=+ 5 V
时，应该选择图
3
；当
u= 220 V
（即
230 V-230 V×4.3%
），
Uo= + 12 V
时，就应该选择图
4
；然后在横坐标上找出欲设计的功率输出点
P o
；从输出功率点垂直向上移动，知道选中合适芯片所指的那条曲线。如果不适用，可以继续向上查找另一条实线；然后从等值线（虚线）上读出芯片的功耗
PD
，进而还可以求出芯片的结温（
Tj
）以确定散热片的大小。
例如，设计输出
5 V
，
30 W
的通用开关电源时，就要选择图
3.
因为通用开关电源输入交流电压范围
85~ 265 V.
首先从横坐标上找到
Po = 30 W
的输出功率点，然后垂直上移，与
T OP224
的实线相交于一点，由纵坐标上查出该点的
η= 71.2%
，最后从经过这点的那条等值线上，查得
PD = 2.5W.
这表明，选择
TOP224
就能输出
30 W
功率，并且预期的电源效率为
71.2%
，芯片功耗为
2.5 W.
如果觉得指标效率偏低，还可以继续往上查
TOP225
的实线。同理，选择
TOP225
也能输出
30 W
的功率，而预期的电源效率可以提高到
75%
，芯片功耗可以降低
1.7 W.
然后根据所得到的
PD
值，还可以进而完成散热片设计。
3.2
等效输出功率的修正
PD
，
η
，
Po
关系曲线均对交流输入电压的最小值进行了限制，
umin =85 V.
如果交流输入电压最小值不符合上述的要求，就会直接影响芯片的正确选择。此时必须从实际的交流输入电压
u
？
min
最小值对应的功率
P'o
折算成
umin
为规定值时的等效功率
Po
，才能使用上面的图。功率修正的方法如下：选择使用的特性曲线，然后根据已知的
u'min
值查出折算系数
K
；将
P 'o
折算成
umin
为规定值时的等效功率
Po
，表达公式
P o=P'o / K
；然后从图
3
、图
4
中选用适当的关系曲线。
图
5
宽范围输入时
K
与
u'min
的关系。
例如设计
12 V
，
35 W
的通用开关电源，已知
umin= 90%×115 V = 103.5 V.
从图
5
中查出
K =1.15.
将
P 'o = 3.5 W
，
K = 1.15
带入
P o= P 'o / K
中，计算出
Po= 30.4 W
；再根据
Po
的值，从图
4
中查出选择的最佳型号是
T OP224
芯片，此时
η= 81.6%
，
PD= 2 W.
如果选择了
T OP223
，则
η
降到
73.5%
，
PD
增加到
5 W
，显然不合适。如果选择
T OP225
型，就会造成资源浪费，因为它比
TOP224
的价格要高一些，而且适合输出
40~ 60 W
的更大的功率。
4
主要元件参数计算
4.1
变压器变比的设计
开关变压器的变比与开关变换电路的具体形式有关，正激、半桥变换电路中开关变压器的变比公式为：
式中，
Uin
，
Uout
分别为开关变压器的输入和输出电压；
Nin
，
Nout
分别为开关变压器初级和次级线圈的匝数。
当输入电压最低时，实际设计时应该按最低输入电压代入计算。
推挽电路的输出电压与输入电压之间的关系公式为：
Uout= 2DUin/n
因此得到关系式：
n= 2D Uin / Uout= N 1 / N2.
输入电压最低时，占空比
D
值最大，这时候仍然能保持设计要求的输出电压，所以上式的
D
应取最大值，
Uin
取最小值。
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