TOPSwitch-GX在儀器電源中的設計應用

門秀萍

（安徽財經大學 管理科學與工程學院，安徽 蚌埠 233030）

TOPSwitch-GX在儀器電源中的設計應用

門秀萍

（安徽財經大學 管理科學與工程學院，安徽 蚌埠 233030）

本文介紹了TOPSwitch-GX的工作原理及功能特點，并敘述了其在儀器開關電源設計中的具體設計應用.

TOPSwitch-GX；反激變換器；儀器電源

1 引言

開關電源以高效節能、體積小而著稱，成為穩壓電源的發展方向.伴隨著集成電路技術的發展，開關電源不僅實現了控制電路的集成，而且向單片開關電源集成.單片開關電源具有高集成度、高性價比、最簡外圍電路、最佳性能指標等優點.本文介紹了美國PI（Power Integrations）公司推出的功能強大的集成開關電源芯片TOPSwitch-GX.

2 TOPSwitch-GX系列簡介

TOPSwitch-GX采用了ECOMART集成電路技術，把高壓功率MOSFET、PWM控制器、故障保護電路以及其他控制電路集成到單個CMOS芯片中，從而方便了設計，提高了設計的靈活性.TOPSwitch-GX產品包括top242-top250 9個品種，TOPSwitch-GX不僅具備以前TOPSwitch的全部優點，而且將最大輸出功率擴展到250W；開關頻率提高到132KHZ；在負載很輕時，能自動降低開關頻率（全頻模式下，從132KHZ降到30KHZ，半頻模式下，從66KHZ降到15KHZ），進一步降低了芯片的損耗；

TOPSwitch-GX Y型封裝內部功能結構框圖如圖1所示，對于Y型，新增加了線路檢測端和極限電流設定端.P/G型封裝把開關頻率選擇端F、極限電流設定端X、線路檢測端L結合為一個多功能端M，但其內部結構原理與Y型封裝類似.

TOPSwitch-GX的控制端（C）是一個低阻抗節點，用于接受工作電源電流和反饋電流.與其相連的內部并聯調整器/誤差放大器，能將反饋電流與工作電流分離出來，反饋電流在RE上產生壓降，經過濾波，送入PWM比較器中，實現脈沖寬度的調制，達到穩壓的目的.

圖1 Y型封裝和內部功能結構框圖

頻率選擇端（F）與源極（S）相連時，開關電源工作在全頻方式，頻率是132KHZ；當與控制極連接時，為半頻工作方式，即頻率為66KHZ.后者適用于開關頻率較低，對噪聲敏感的視頻設備中，在TOPSwitch-GX進入待機模式下也選擇半頻，以降低功耗.輕載頻率降低轉換電路是在占空比低于10%時，為了保持輕載時高效率，頻率將線性減少，直至降到占空比為0時的最小頻率30KHZ（全頻模式）和15KHZ（半頻模式）.

外部電流設置端（X）主要有兩個功能：外部電流限制和遠程通/斷控制.

線電壓檢測端（L）外部通過電阻連接在直流高壓線路上，設定過壓/欠壓閾值；內部增加了開啟電壓為1V的電壓比較器，也可以用于遠程通/斷控制.如果要屏蔽這兩端的功能，可以與源極連接.

頻率抖動振蕩器是通過一個內部電容線性充放電，產生鋸齒波，并送入PWM比較器.頻率抖動是指頻率在4KHZ窄范圍內以250HZ被調制，抖動功能能顯著地減少電磁干擾.與頻率抖動振蕩器連接的停止邏輯電路使之工作更為可靠.

滯后熱關斷是由精密模擬電路構成的，當MOSFET的結溫大于140℃時，過熱關斷電路就將MOSFET關斷；當結溫降到70℃時，芯片才恢復正常工作.這種溫度滯后特性有效地防止了因反復出現故障而使印制板過熱.

軟啟動電路在啟動10mS內，最大占空比從0開始線性增加到典型值78%，限制電流也從85%左右線性增加到100%，另外軟啟動電路在遠程關斷或熱關斷以及控制電壓滯后調節后重啟動也被激活.軟啟動電路有效地降低了啟動時對MOSFET、鉗位電路的沖擊電壓和電流，并防止了變壓器的飽和.關斷/自動重啟動是為了把損耗降到最低，在缺乏持續調節的環境中，將電源以4%的占空比開通和關斷.

3 基于TOP249Y芯片的反激變換器的拓撲結構及工作原理

基于TOP249Y設計了一反激變換器，原理圖如圖2所示.交流電壓經過V1整流和C1濾波后得到的直流高壓經過變壓器TI斬波、能量傳遞和電壓變換后,獲得次級所需的交流電壓，再經過整流濾波后，得到需要的穩定直流電壓.R29、C2、V2和V3用來箝位和吸收變壓器漏感引起的尖峰電壓，防止損壞TOP249Y.變壓器次級線圈T1-12，T1-11通過 V4、C7、C8、L1、C9 得到 5V 輸出電壓，變壓器次級線圈 T1-10，T1-9 通過 V5、C10、C11、L2、C12得到15V輸出電壓，變壓器次級線圈T1-8，T1-7通過 V6、C13、C14、L3、C15 得到 -15V 輸出電壓，偏置線圈T1-5，T1-4兩端電壓經V17、C33整流濾波，提供TOP249Y所需的偏置電壓.R16、C27與控制端阻抗ZC設置自啟動周期，主路電壓通過電阻R11、R12、電路 N3（TL431）和光藕 N2（PC817A）進行電壓取樣和反饋，以達到閉環控制的需要.通過電阻R19進行輸入電壓檢測，從而實現輸入過壓和欠壓保護的目的，通過電阻R20，R21進行外部電流限制.軟啟動電容C37防止輸出電壓過壓.

圖2 原理圖

4 基于TOPSwitch-GX芯片的反激變換器的設計方法及步驟

根據以上電路設計了試驗樣機，輸入電壓VC為85～265VAC、輸入頻率為50Hz，工作頻率fs為100kHz，輸出電壓Vo為5V/5A、15V/2和 -15V/1A，自然風冷.工作溫度0~50°C.

(1)根據輸出功率表選擇合適的TOPSwitch-GX芯片，由于輸出功率為70W，根據圖表可以選擇TOP248Y，TOP249Y和TOP250Y，為了留有設計余量選擇TOP249Y.

表1 輸出功率表

(2)根據通用輸入85～265VAC條件下，按輸出功率值的瓦特數乘上2～3μF的原則選擇輸入電容為400V/180μF.

(3)確定原邊繞組電感量Lp.

式中，E是電網輸入整流濾波后的直流高壓，取值EMAX＝375V；T是高頻開關電源的工作周期，取值 T＝10μs（即工作頻率＝100kHz）；TON是主功率開關導通時間，設最大占空比為0.45，則最大導通時間為4.5μs；PIN是電源的輸入功率，它與輸出功率 PO的關系式為：PO＝ηPIN，取效率 η＝0.8，PO＝56W，則PIN＝87.5W，代入上式得到：

(4)因為反激式變換器的功率通常較小，一般選用鐵氧體磁芯作為變壓器，其功率容量(Ap)計算式如下：

式中，Po是變壓器的輸出功率（W）取56（W）；Bm是最大磁通密度（G），取1950G，即工作磁通密度取一半的飽和磁通密度；η是變壓器的效率，取0.8；fs是變換器的開關頻率，取100kHz；δ是繞組的電流密度，取2.0A/mm2；Km是窗口的銅填充系數，取值為0.4；KC是磁芯填充系數，KC對于鐵氧體＝1.0.

PQ2625的功率容量乘積為0.99.比數值大2倍，如果按50%的余量計算，在100kHz開關頻率工作時，輸出功率可達97.5W，所以選擇該磁芯是充分留有設計余量的，磁芯不會飽和.

(5)變壓器初級繞組上的最大峰值電流：

TOP249Y的標稱峰值電流為5A，所以不會超過其電流限制，設計合理.

(6)原邊繞組匝數Np由下式決定：

式中，Ae是變壓器的有效截面積.PQ2625的Ae值為1.18cm2；

取40匝.

(7)副邊繞組匝數Ns、偏置繞組的匝數NB：

式中，輸出電壓VO分別為5V，15V，-15V；輸出二極管正向電壓VD為0.75V，1V；反射輸出電壓設為60V；偏置電壓VB為12V和偏置二極管電壓VBD為0.75V.經公式計算次級繞組和偏置繞組匝數分別如下：5V繞組匝數為4匝，15V和-15V繞組匝數為11匝，偏置繞組匝數為9匝.

(8)變壓器磁芯的氣隙長度Lg(mm)的大小可由下式計算出來：

取氣隙為3mm.

5 實驗結果

通過用Lecroy公司生產的電源專用示波器測試，得到本電源設計的主要試驗結果如下（在主副路均不加線性穩壓的情況下）：輸出功率PO為71.45W；空載損耗小于2W；效率大于85%.

6 結束語

由于TOPSwitch-GX芯片內部完全集成了SMPS的全部功能，所以利用它設計出的開關電源周期短，成本低，對于小功率電源，簡單，體積小，重量輕.隨著TOPSwitch-GX開關系列的不斷發展與改進，其在開關電源及其它應用領域中必將有著更加燦爛的前景.

〔1〕PI公司.TOPSwitch-GX產品手冊.2005.

TN86

A

1673-260X（2011）11-0135-03