關鍵詞：開關電源；TO0Switch：脈寬調制
O 引言
TOPSwitch單片開關電源芯片是美國PI公司于上世紀90年代中期推出的新型高頻開關電源芯片，它是三端離線式PWM開關(Three Terminal 0ffLine PWM Switch)的縮寫，被譽為“頂級開關電源”。其特點是將高頻開關電源中的PWM控制器和M0SFET功率開關管集成在同一芯片上，是一種二合—器件。其第一代產(chǎn)品是1994年推出的TOPl00／200系列；第二代產(chǎn)品是1997年推出的TOPSwitch—II系列。這些產(chǎn)品一經(jīng)問世，便顯示出了強大的生命力，被廣泛應用于儀表、顯示器、開關電源、VCD／DVD、手機充電器等各種領域，形成了一種高效、低成本、新型的開關電源模式。同時因為其簡易的設計方法，使得TOOPSwitch芯片在應用中更顯得得心應手。應用該芯片設計的開關電源，具有效率高、體積小以及外圍電路簡單等優(yōu)點。可以預見，應用TOPSwitch系列芯片所設計的單片開關電源必將在更廣泛的領域得到應用。
1 TOP227Y芯片性能特點及其內部框圖
1．1 TOP227Y芯片性能特點
TOP227Y屬于TOP系列的第二代產(chǎn)品，其功率開關管耐壓值高達700V，具有以下顯著特點。
1)將脈寬調制控制系統(tǒng)的全部功能集成到三端芯片中，內含脈寬調制器、功率開關場效應管、自動偏置電路、保護電路、高壓啟動電路和環(huán)路補償電路，通過高頻變壓器使輸出端與電網(wǎng)完全隔離，真正實現(xiàn)了無工頻變壓器、隔離、反激式開關電源的單片集成化。
2)屬于漏極開路輸出并利用電源來線性調節(jié)占空比實現(xiàn)AC／DC變換，電流控制型開關電源。
3)輸入交流電壓和頻率的范圍很寬。
4)只有3個引出端。能以最簡單方式構成無工頻變壓器的反激式開關電源，其控制端屬于多功能引出端，可完成多種控制、偏置及保護功能，具有連續(xù)和不連續(xù)兩種工作模式，反饋電路有4種基本類型，能構成各種普通型和精密型開關電源。
5)開關頻率的典型值為100kHz，允許范圍是90～110kHz，占空比調節(jié)范圍是1．7％～67％。
6)外圍電路簡單，僅須接整流濾波器、高頻變壓器、漏極嵌位保護電路、反饋電路和輸出電路。
7)因芯片本身功耗很低，電源效率高，可達80％左右，最高可達90％。
8)若將它配以低壓差線性集成穩(wěn)壓器，則可構成一種新型復合式開關電源，既保留了開關電源體積小、效率高的優(yōu)點，又具有線性穩(wěn)壓電源穩(wěn)定性好、紋波電壓低等優(yōu)良特性。
9)采用這種芯片能降低開關電源所產(chǎn)生的電磁干擾。
10)其工作溫度范圍是0～70℃，芯片最高結溫Tom=135℃。
1.2 TOP227Y內部框圖
TOP227Y的內部框圖如圖1所示，主要包括控制電壓源、帶隙參考基準電壓源、振蕩器、并聯(lián)調整器／誤差放大器、門驅動級和輸出級、脈寬凋制器、過流保護電路、關斷／自動重啟動電路、上電復位電路、過熱保護電路等。
TOP227Y的基本工作原理是利用反饋電路的Ic來調節(jié)占空比，D,從而達到穩(wěn)壓的目的。例如，當輸出電壓Vo↓時，經(jīng)過光耦反饋電路使得Ic→D→Vo↑，最終使Vo保持不變，具體工作原理請參閱參考文獻。
2 設計實例
根據(jù)技術要求，設計了一個輸入為AC 220 V，輸出為DC 5 V，20A的大功率開關電源。該開關電源的基本電路結構框圖如圖2所示。
由于TOPSwitch集成度高，設計工作主要是外圍電路的設計。外圍電路由輸人整流濾波電路、箝位保護電路、變壓器、輸出整流濾波電路及反饋電路5部分組成。電路原理圖如圖3所示。
2．1 輸入整流濾波電路設計
整流濾波電路包括輸入交流濾波、整流和電容穩(wěn)壓3部分。交流濾波采用II型濾波電路，具體參數(shù)如下：去除共模干擾的Co、C1、C1為10nF；去除差模干擾的G2、G3，為1μF；10mH，采取雙線并繞。整流電路選擇不可控的整流橋。在當前供電條件下，電容G4的電容值可根據(jù)輸出功率，每W對應l μF。假設整流橋中二極管導通時間為tc=3ms，可得電容的最小耐壓值(最小直流輸入電壓)為
式中：VACmin最小交流電網(wǎng)電壓；
Po為輸出總功率；
η為系統(tǒng)的效率，可選擇80％；
f為交流電網(wǎng)頻率。
2．2 箝位保護電路設計
每個開關周期內，TOPSwitch的關斷將導致變壓器漏感產(chǎn)生尖峰電壓。VR1和VD1構成的箝位電路防止了此電壓對TOPSwitch的損壞，VR1和Vo1的選擇由反射電壓VOR決定。VOR一般選擇為135 V，VR1嵌位電壓VCLD可由經(jīng)驗公式VCLO=1．5VOR得出，VD1的耐壓值應大于最大直流輸入電壓Vmas并選擇快恢復二極管。
2．3 變壓器設計
1)磁芯類型
為滿足TOP227Y芯片100 kHz的工作頻率，宜選用錳鋅鐵氧體磁芯，本設計選擇EE一42型鐵氧體磁芯。
2)最大占空比Dmax
式中：VOR為次級反射到初級的反射電壓，可選135 V：
VDS為TOP227Y的通態(tài)電壓，一般可選10Y。
3)變壓器初級自感Lp
式中：fs為TOP227Y的開關頻率，選擇100 kHz
4)導線線徑
在100kHz開關頻率下，銅芯導線的穿透深度是O．20～O．22mm，圓形銅芯導線的直徑則是兩倍的穿透深度O．40～0 44mm，再增加聚酯絕緣外層厚度O．06mm，則導線測量絕緣外徑為O．46～O．50mm，這里我們選用導線線徑為O．5mm。
5)每匝電壓值
工作在反激狀態(tài)下，繞組輸出電壓與每匝電壓值成正比，確定各繞組匝數(shù)N前須確定每匝電壓值。
6)變壓器初、次級匝數(shù)
變壓器匝數(shù)可以從選擇次級繞組匝數(shù)開始。對于輸入電壓為交流220V的電路，次級選擇O．6T／V即可滿足要求。根據(jù)變比再確定初級繞組的匝數(shù)。
2．4 輸出整流濾波電路設計
輸出整流濾波電路由整流二極管和濾波電容構成。輸出整流二極管的開關損耗占系統(tǒng)損耗的1／6～l／5，是影響開關電源效率的主要因素，它包括正向導通損耗和反向恢復損耗。由于肖特基二極管導通時正向壓降較低，因此，其正向導通損耗低。此外，肖特基二極管反向恢復時間短，在降低反向恢復損耗以及消除輸出電壓中的紋波方面有明顯的優(yōu)勢，故選用肖特基二極管作為整流二極管。參照最大反向峰值電壓選取肖特基二極管。次級繞組的最大反向峰值電壓為
式中：VSM為次級繞組輸出的最大反向峰值電壓；
VS為次級繞組輸出電壓；
Np為初級繞組匝數(shù)；
Ns為次級繞組匝數(shù)；
VAcmax為變壓器初級輸入電壓最大值。
2.5 反饋電路設計
反饋電路依據(jù)輸出電壓精度確定，本電源使用線性光耦+TL43l方案，可以把輸出電壓精度控制在±1％。電壓反饋信號經(jīng)分壓網(wǎng)絡引入TL431的Ret端，轉化為電流反饋信號，經(jīng)過光耦隔離后輸入TOP227Y的控制端。光耦工作在線性狀態(tài)，起隔離作用。如果所選光耦的電流放大率上限超過200％，容易造成TOP227Y過壓保護動作，相反，若電流放大率下限小于40％，占空比，D將不能隨反饋電流的增大而減小，從而導致過流。因此，應選擇電流放大率范圍接近100％的光耦。本療案選擇Siemens
的CNY17—2(電流放大率為63％～125％)。
3 電源性能測試及結果分析
根據(jù)以上設計，對采用TOP227Y的輸出電壓為5 V，電流為20 A的開關電源的性能進行了測試。實測結果表明，該開關電源工作在滿載狀態(tài)時，最大占空比為0．42，電源的效率為84％，紋波電壓控制、電壓調節(jié)精度及電源工作效率都超過了以往采用控制電路與功率開關管相分立的拓撲結構形式的開關電源。
4 結語
由于TOP227Y芯片內部集成有PWM控制器、功率開關MOSFET以及多種保護電路，所以，采用該芯片設計出的開關電源具有體積小、重量輕、成本低、外圍電路簡單、效率及可靠性高等特點，因而在電子設備中具有廣泛的應用前景。本文所設計的開關電源已應用于某電路中，通過運行觀察，該開關電源的性能良好，取得了很好的應用效果。
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