基于TOP Switch反激式高精度開關電源的設計

徐艷霞

（安徽工貿職業技術學院 電氣與信息工程系，安徽 淮南232007）

0 引 言

單片開關電源自20世紀90年代中期問世以來便顯示出強大的生命力，其具有高集成度、高性價比、最簡外圍電路、最佳性能指標、能構成高效率無工頻變壓器的隔離式開關電源等特點，現已成為開發中、小功率開關電源及開關電源模塊的優選集成電路［1］。1994年，美國電源集成PI（Power Integrations）公司在世界上率先研制成功了脈寬調制型單片開關電源，其第一代產品為1994年問世的TOP Switch系列，第二代產品為1997年問世的TOP Switch－II系列，產品包括TOP221P／G～TOP224P／G和TOP221 Y～TOP227 Y。與第一代產品相比，TOP Switch－II系列在性能和功率上得到了顯著提高，極大地簡化了150 W以下開關電源的設計和新產品的開發工作，也為新型、高效、低成本開關電源的推廣與普及創造了良好的條件，現已廣泛應用于儀器儀表、筆記本電腦、移動通信設備、電視機、DVD、攝錄像機、電池充電器、功率放大器等領域，并能構成各種小型化、高密度、在價格上能與線性穩壓電源相競爭的AC／DC電源變換模塊［2］。單片開關電源的設計主要包括輸入輸出電路、箝位電路、反饋控制電路及高頻變壓器的設計，其中高頻變壓器的設計是個復雜繁瑣的過程。本文結合自己從事多年電源設計研發的工作經驗，介紹并設計了單片開關電源的輸入輸出電路、箝位電路、反饋控制電路，給出了一種全新的設計高頻變壓器的方法。該方法克服了傳統高頻變壓器計算復雜、設計繁瑣的不足。

1 TOP Switch－II的特點及原理分析

TOP Switch－II系列產品采用高壓CMOS電路的先進技術，實現了高壓MOSFET與低壓控制電路的單片集成化，將脈寬調制（PWM）控制系統的全部功能集成到三端芯片中，內含脈寬調制器、功率開關管（MOSFET）、自動偏置電路、保護電路、高壓啟動電路和環路補償電路。該系列芯片只有3個引出端，分別為控制端C、源極S、漏極D。其內部結構圖如圖1所示。

圖1 TOP Switch－II內部原理框圖

TOP Switch屬于漏極開路輸出電流控制型AC／DC電源器。在圖1中漏極D與片內功率開關管的漏極連通，片內漏－源擊穿電壓為700 V DC；源極S則連接片內功率開關管的源極，S端一般接電路的功率地，在設計PCB時連接該腳的功率地可通過n F級的電容與控制信號地隔離，防止對控制信號的干擾。電路的控制主要由控制端C實現，該引腳利用控制電流Ic的大小可實現占空比D的調節以實現穩壓的目的。舉例說明，當輸出電壓Uo↑時，經反饋使得控制端Ic↑→D↓→Uo↓，最終使Uo不變?？刂齐娏鱅c可直接取自反饋電路，也可接光耦的反饋輸出，在實際應用中為了實現電氣隔離和提高控制靈敏度，該腳常與光耦的輸出端相連；控制引腳C還可實現對控制回路的補償，通過該引腳對地接一電阻串一電容可實現對芯片內部控制回路的補償，該電阻常取幾歐姆，電容典型值為47μF［3］。在實際應用中，可通過測量控制端C電壓判斷TOP Switch芯片是否正常工作，該引腳的典型工作電壓是5.7 V DC，極限值是9 V DC。

2 電路設計

下面以Top222為例，介紹應用TOP Switch系列芯片設計反激式電源的方法及典型電路。TOP222反激式電源的原理圖如圖2所示。電路對應的技術指標如下：工作電壓交流90 V～260 V，一路輸出5 V，功率4 W，精度不大于5%；另一路輸出12 V，功率約4 W，精度1%。TOP Switch－II輸入電壓范圍寬達交流85 V～265 V，可滿足技術指標中輸入電壓的要求；按照驅動功率大小的不同TOP Switch－II的封裝可概括為TO220的三端器件Y型和8引腳封裝的DIP8 P型和SMD8 G型，三端TO220封裝與7800系列三端線性穩壓器封裝兼容，8引腳封裝中有6個都是源極S，實際等同3端器件。技術指標中輸出總功率約8 W，選用可驅動10 W的TOP222 G芯片。12 V輸出可作為主輸出以滿足精度要求，5 V輸出由于精度要求不高可在輸出端接7805進一步提高其精度。

圖2 TOP222反激式電源的原理圖

由圖2可知TOP222設計的反激式電源主要包括輸入電路、高頻變壓器、輸出電路和反饋控制電路。

2.1 輸入電路設計

在輸入電路中，R1是限流電阻，C1、L1和 C2、C3組成π型濾波器，濾除輸入交流電壓的雜波，C4作為整流后的濾波電容在輸入電路中起著非常關鍵的作用，對于寬范圍輸入的開關電源該電容數量值一般可取2～3倍的輸出功率，在本設計中輸出功率約8 W，選取濾波電容25μF。每當開關管MOSFET由導通變成截止時，由高頻變壓器漏感引起的尖峰電壓會疊加在直流高壓和感應電壓上，疊加后的電壓很容易損壞MOSFET［4］。D5和D6組成的漏極箝位保護電路的作用就是抑制漏感產生的尖峰電壓，保護開關管免遭損壞。圖中S與TOP222的漏極相連，D接TOP222的源極。

2.2 輸出電路設計

在輸出電路中主要涉及二極管的選取、濾波電路及PCB設計等要點，選取二極管時可主要考慮兩個參數，正向電流IF和反向擊穿電壓UR，IF可取輸出電流的2～3倍，UR可取輸出電壓的3～4倍以防反向擊穿［5］，濾波電路常用的仍是π型濾波，可參閱相關書籍資料。C9／C10的作用是濾除高頻雜波進一步平緩輸出電壓。輸出電路的設計要點在于繪制PCB時要盡可能地縮小由二次側電感、二極管和電容C8／C5組成的環路面積，盡可能減小由 C8、L3、C10（C5、L2、C6）組成的π型濾波器的環路面積，環路面積的大小直接影響輸出電壓的精度，面積越小輸出電壓的精度越高［6］。

2.3 反饋控制電路設計

反饋控制電路主要由TL431、光耦PC817和TOP222組成。TL431是由TI公司生產的（2.50～36 V）可調式精密并聯穩壓器，其內部包含一個誤差放大器A、一個2.50 V的基準電壓Uref、一個調節負載電流用的NPN晶體管VT和一個防反接二極管VD。在單片開關電源設計中普遍用其構成外部誤差放大器，再與線性光耦合器組成隔離式反饋控制電路。在圖5所示電路中，L M1、PC1分別接12 V輸出端UO2和12 Vπ型濾波器的前端，L M431的1腳為基準電壓UREF，其與輸出電壓的關系可表示為

UO2為12 V，UREF為2.5 V，取R4為10 kΩ，可計算得R3為38 kΩ。L M431的輸出端3腳接PC817的一個輸入引腳，PC817的另一個輸入引腳接12 V輸出的前端，PC817為線性光耦，其電流傳輸比CTR為80%～160%，PC817的供電直接取自經變壓器整流濾波后的電壓，可減少使用外部供電所增加的成本及電路板體積，光耦的輸出端作為控制信號可直接接TOP222的控制引腳C。C14為隔離電容用來隔離輸入電壓和輸出電壓，減小電網電壓雜波對輸出電壓精度的影響。

2.4 變換器設計

高頻變壓器的設計一直是反激式變換器設計的主要內容之一。高頻變壓器的設計涉及到電感量、匝數、線徑、繞制方式、骨架、氣隙等眾多知識，設計過程中某一參數的變化或某一設計元素的微調，都會影響其他參數的取值，往往需要反復計算試驗，按照傳統的設計方法和步驟不僅耗時且準確率低。針對TOP變換器POWER INTEGRATIONS公司研制出了專用的開關電源設計軟件PI Expert，利用該軟件只要簡單設置下電源的輸入輸出參數及選擇好TOP芯片型號，軟件就會自動快速地計算好電路的各個參數［7］，其中包括高頻變壓器詳細的設計參數。本設計使用該軟件計算得到的變壓器一次側主要參數如表1所示。

表1 一次側變壓器主要參數

表1所示為變壓器一次側的主要參數，對PI Expert軟件計算得到的參數進行適當微調，比方說將繞制1.6層調為2層、為了更大的安全系數將34 A WG調為29 A WG等。微調后得到的一次側變壓器的參數如下：初級電感量1 850μH、初級繞組總圈數100匝，用29 A WG的漆包線繞制2層。二次側的計算及參數與之類似、在此不再贅敘，最終得到高頻變壓器示意圖及參數如圖3所示。

圖3 高頻變壓器繞制示意圖

在圖3所示高頻變壓器繞制示意圖中，磁芯選EEL19，其封裝為雙列10引腳插裝，參數可直接取自表1，主要包括骨架繞組寬度19.70 mm、安全邊距寬度3.00 mm、磁芯截面積24.50 mm2，氣隙長度0.124 mm。圖3中1、2繞組代表一次側，為減小漏感采用了擋墻雙層繞制的方式，3、4繞組用來給PC817供電，繞組7、8和9、10分別為12 V和5 V的輸出繞組。因輸出端電流較大采用了雙股并繞的方式，雙股并繞既可起到分流的作用又可以克服采用單股粗線繞制引起的趨膚效應現象［8］。

3 實驗結果與分析

在介紹原理及設計電路的基礎上，繪制并焊接了實驗板，實驗結果如表2所示。

用四位半萬用表VC9806＋測量得到的數據如表2所示，UD為輸入側整流后的電壓，Uc為TOP222控制端的電壓，由表2計算可得UO1的電壓誤差不大于2.3%、UO2電壓誤差不大于0.88%，均滿足設計指標不大于5%和1%的要求。實驗過程中Uc電壓低于5.3 V時，電路無法正常工作，由表2可知其值約5.8 V與有關資料所述的5.7 V接近。在空載時為使輸出電壓穩定，最好接一假負載，其值可取額定負載的20%。

表2 主要實驗結果

4 結 論

效率高、體積小、電路設計簡單的單片開關電源在中小功率電源中得到了廣泛應用。本文介紹了TOP第二代單片開關電源的特點、內部結構和工作原理，在此基礎上詳細論述了TOP222控制雙路輸出電源的電路設計，主要包括輸入輸出電路設計和反饋控制電路設計。實驗結果證實了本設計電路的正確性。此外，文中介紹了使用PI Expert軟件設計高頻變壓器的方法，使用該軟件克服了傳統設計高頻變壓器計算繁瑣結果不準確需反復試驗的不足。用該軟件設計的高頻變壓器滿足了設計要求。此高頻變壓器設計為TOP或其他單片開關電源的高頻變壓器設計提供了一種新的途徑。

［1］ 沙占友.新型特種集成電源及其應用［M］.北京：人民郵電出版社，1998.

［2］ 呂 輝，林 樺.TOPSwitch單片開關電源的原理與應用［C］.哈爾濱：第1屆中國高校電力電子與電力傳動學術年會論文集，2007.

［3］ 董 硯，劉東波，孫鶴旭.多路單端反激式開關電源的設計［J］.劉漢奎 河北工業大學學報，39（3）：60－64.

［4］ 王 正，朱興動，張六韜.基于TOP249 Y芯片的開關電源設計［J］.國外電子元器件，2004，（3）：22－24.