基于TOP250Y的單片反激電源設計

談蓉蓉，黃震宇

（無錫廣播電視大學，江蘇 無錫 214000）

開關電源具有重量輕、體積小、效率高、穩壓范圍寬等優點，在電子電氣、控制、計算機等許多領域的電子設備中得到了廣泛的使用。TOPSwitch單片開關電源是美國PI（Power Integration）公司于20世紀90年代中期推出的新型高頻開關電源芯片。采用TOPSwitch器件的開關電源與分立的MOSFET功率開關及PWM集成控制的開關電源相比，具有電路結構簡單、成本低廉、性能穩定、制作及調試方便，自保護完善等優點，因此它被廣泛地應用在中小功率電源中。

1 開關電源的設計過程

本文以TOP250Y為例介紹此類控制芯片的應用。圖1是使用TOP250Y設計出的7路輸出，其中6路15 V／0.4 A、1路＋5 V／4 A，總輸出功率56 W。由于TOPSwitch集成度高，設計工作主要針對外圍電路進行，外圍電路可分為輸入整流濾波電路、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。設供電條件為85～265 VAC（±15%），工頻。

1.1 輸入整流濾波電路設計

圖1 開關電源原理圖

輸入整流濾波電路包括交流濾波、整流、電容穩壓。前級濾波電容C1的作用是濾掉電網電壓尖峰，防止其對后級電路的影響。尖峰電壓一般是電網電壓的3～4倍，再考慮到安全裕量，選用耐壓1000 V、容值0.1μF的電容。濾波電感L1選用33 mH的，使能濾掉電網3次諧波。不控整流橋選用的是5 A／600 V規格。整流橋后濾波電容C2的作用是對脈動直流電壓進行平滑，使整流輸出的電壓波動在一定的范圍內。濾波電容的選擇可依照1μF／W的比例進行選擇，所以后級濾波電容值為400μF。濾波電容的耐壓值一般取為整流輸出電壓峰值的1.3～2倍，故取為310 V×1.3＝403 V，實際考慮電容的標稱值，取450 V。

1.2 箝位保護電路設計

TOPSwitch的關斷將導致變壓器漏感產生尖峰電壓，本設計中箝位保護電路由VD2和VD1構成。其中VD2為瞬態電壓抑制器，在承受瞬態高能量電壓時，能迅速反向擊穿，由高阻態變成低阻態，并把干擾脈沖箝位于規定值，能將啟動和過載情況下的峰值漏電壓限制在TOPSwitch的MOSFET額定值700 V以下，VD1為阻塞二極管，一般選用快恢復二極管。VD2型號為 P6KE－200，VD1型號為 UF4006。電容C3、電阻R2與VD2并聯以降低齊納箝位的損耗。

1.3 高頻變壓器設計

高頻變壓器的設計過程是很繁瑣的，要考慮大量相互關聯的變量，費力耗時，并且本文涉及的是多路輸出的情況，設計更為復雜。在此，采用美國功率集成公司（Power Integrations）設計開發的PI Expert程序來輔助完成高頻變壓器的設計。PI Expert是一個自動化的圖形用戶界面（GUI）程序，通過接收用戶輸入的電源規格參數，自動生成圍繞Power Integrations系列IC設計的電源轉換方案，應用EXCEL電子表格設計電源，簡單快捷，將傳統人工計算與軟件計算結合，最終確定該輔助電源的設計方案，如圖2所示。

圖2 PI Expert優化后的結構框圖

由圖2可見，在給定條件后，該軟件可以快速計算出變壓器原副邊繞組的匝數，極大地縮短了高頻變壓器的設計周期。

1.4 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損耗的1／6以上，是影響開關電源效率的主要因素，其分為正向導通損耗和反向恢復損耗。由于肖特基二極管反向恢復時間短，在降低損耗及消除輸出電壓中的紋波方面有明顯的性能優勢，所以選用肖特基二極管作為整流二極管。選取的原則是略大于最大反向峰值電壓。次級繞組的最大反向峰值電壓為:

式中，UO為輸出電壓值；UACmax為最大交流輸入電壓值；NP、NS為原副變繞組的匝數。

輸出濾波電容選擇低ESR的電解電容。加LC后置濾波器可以抑制輸出電容上的脈動電壓和峰值電流。

1.5 反饋電路設計

本文選擇帶TL431的光耦反饋電路，其特點是:利用TL431型可調式精密并聯穩壓器構成次級誤差電流放大器，再通過光耦合器對主輸出進行精確的調整；除主輸出作為主要的反饋信號之外，其他各路輔助輸出也按照一定比例反饋到TL431的2.50 V基準端，這對于全面提高多路輸出式開關電源的穩壓性能具有重要意義，也是單片開關電源的一項新技術。其工作原理是當輸出電壓增大時，經電阻分壓后得到的取樣電壓就與TL431中的2.5 V帶隙基準電壓進行比較，在陰極上產生一個減小的陰極輸出電壓，再與主輸出反饋電壓共同作用使發光二極管的工作電流增加，進而改變光耦電流使其增加，即芯片控制腳的電流Ic，增大電流Ic就減小了TOPSwitch的輸出占空比，占空比減小，輸出電壓隨之減小，由此過程達到穩定輸出電壓的目的，反之亦然。在設計上，由于TL431的兩個分壓電阻的比例很難精確計算，常常將TL431的兩個分壓電阻R9、R11中的一個設計成可調電阻，改變阻值以調節輸出電壓的精度，最后找到合適的電阻值。

2 實驗與分析

按以上設計步驟制作出了基于TOP250Y的開關電源，分別進行了輕載與滿載實驗，得到穩定的電壓輸出，對芯片的D、S端進行了測量，實驗波形如圖3。

圖3 實驗波形

由圖3可見，隨著負載的增加，開關電源的占空比在增大。當滿載時，占空比為0.35左右。

3 結束語

單片開關電源的出現克服了以往開關電源設計中存在的外圍元件和輔助電路復雜等問題，有力地促進了開關電源的高效化、集成化，提高了電源實用性。本文針對開關電源設計的5部分電路進行分析并給出了設計方法，通過實驗驗證了該方法的可行性。采用TOPSwitch－GX系列芯片設計的開關電源電路結構簡單、效率高、成本低，有著良好的應用前景。

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