基于TOP227Y的多路輸出反激式開關電源設計

王銀杰，張立生，王 林

（1．鹽城工學院電氣工程學院，江蘇 鹽城224000；2．黃山市供電公司，安徽 黃山245000）

0 引 言

隨著科技不斷進步，開關電源在儀器儀表、工業設備、家用電器等領域得到廣泛應用。反激式開關電源因其設計靈活、所需元器件少等特點，在小功率電源領域中得到了應用。它可以實現多路輸出；輸入輸出的電壓極性能夠相反；通過改變壓器的匝數比，可構成升壓或降壓式開關電源。TOPswitch系列芯片的問世使得反激式開關電源的設計變得更加方便簡單［1］。

1 開關電源原理及電路設計

本文以TOP227Y為核心控制部件，通過PWM控制實現DC／DC變換，通過調節占空比來保證輸出電壓的穩定。開關電源的基本技術指標如下［2］：

交流輸入電壓范圍：85～265 V，50 Hz。

輸出：4路15 V／1 A。

輸出功率：P0＝60 W。

電源的效率η：80%左右。

損耗分配因數Z：0．5。

偏置電壓：UB＝12 V。

基于TOP227Y的多路反激式開關電源基本設計原理圖如圖1所示。

1．1 前級濾波電路設計

前級濾波電路包括交流濾波、整流、直流濾波電路三部分構成［3］。

交流濾波主要是濾除從電網引入的外部干擾，同時也抑制自身設備向外部發出的干擾。由C18、C7、C6、C8、L構成典型的π型濾波器。其中L為共模電感，其電感量通常取值范圍為8～23 mH，本設計取22 mH。C18、C7的作用是濾除差模干擾，容量取值范圍 為0．01～0．47μF，在 這 個 電 路 中 取0．47μF／630 V；C6、C8跨接在輸出端，可以很好地抑制共模干擾，容量范圍為：2 200～4 700 pF，在這取2 200 pF／630 V［4］。

整流電路選擇滿足電壓與電流閥值且導通時間盡可能短的整流橋。直流濾波電路的電容值可根據電源輸出功率，每瓦特對應2～3μF考慮余量來取值。假定整流二極管的導通時間為tc＝3 ms，則根據公式（1）得到電容的耐壓值，從而選220μF／400 V的電解電容。

式中，η為系統效率；fL為交流電網頻率；P0為電源輸出功率。

1．2 變壓器的設計［5］

（1）磁心尺寸的選擇

本設計選擇EI型鐵氧體磁芯，具有漏感小、磁耦合性能好、繞制方便等優點。高頻變壓器輸入功率P＝60 W／80%＝75 W，取最大承受功率90 W，根據高頻變壓器的最大承受功率與磁芯截面積關系式：

圖1 反激式開關電源原理圖

由公式（2）估算，磁芯有效面積為1．42 cm2，查閱磁芯手冊，考慮閥值，選擇EI40，它的磁芯有效面積Ae為1．48 cm2，有效磁路長度Le為7．7 cm，磁芯的等效電感AL為5 000 nH／N2，骨架寬度BW為40 mm。

（2）最大占空比

最大占空比計算如下：

其中二次反射電壓UOR取135 V；查閱TOP227Y的資料，UDS取10 V。

（3）計算初級線圈的電流

式中，KRP是脈動系數；KRP＜1，反激變換器工作在連續模式；KRP＝1，反激變換器工作在斷續模式。本設計反激變換器工作在連續模式，取KRP＝0．4。

由：IDS＝0．9ILIMIT≥IP，查 TOP227Y 的數據參數，ILIMIT在2．7～3．3A之間。即IDS＝0．9ILIMIT＝0．9×2．7 A＝2．43 A＞IP，也就是說KRP選取合適［6］。

（4）計算變壓器初級電感（連續模式）

（5）計算繞組匝數與導線直徑［7］

當電網電壓為通用輸入220 V時，KNS＝0．6匝／V。輸出整流二極管是超快速二極管，即UD取0．7 V，磁芯的最大工作磁通密度Bm在2 000～3 000 GS范圍內。偏置繞組上的電壓取12 V，它的整流二極管的正向導通壓降UDB取0．7 V。

a．繞組匝數計算

取J＝8 A／mm2，直徑取0．41 mm。

（6）計算氣隙長度

式中，Bm的單位為T；IP的單位為A；LP的單位為μH；Ae的單位為cm2。

根據上面的計算可以看出Bm在0．2～0．3 T的范圍內，即Bm滿足工作要求。

1．3 反饋電路的設計［8］

反饋電路采用穩壓器TL431與線性光耦PC817組成的光耦反饋回路，TL431的電壓準確度精確到1%，而且可以在一定范圍內進行調節。通過R8、RW1產生取樣電壓然后和TL431的基準電壓2．5 V進行比較，所得到的誤差電壓，經過PC817產生光電流變化輸出到TOP227Y控制端C，使控制端的電流變化進而調節占空比，達到穩壓的目的。

在本設計中取電阻R8、RW1的阻值分別為25 kΩ，5 kΩ。整流管VD7和濾波電容C13為光耦合器提供偏壓，VD7在輸出整流濾波電路中已經計算得出，取IN4148，C13取0．1μF。R7為 LED 的限流電阻，取300Ω。C23為相位補償電容取0．1μF。C19是芯片控制端C的旁路電容，并與R5串聯一起對控制環路進行補償，C19取47μF／25 V的電解電容，R5取6．8Ω。

1．4 偏置與鉗位保護電路的設計

電容C19與電阻R5串聯組成控制端的補償電路，電容C19能濾除控制端C上的尖峰電壓。由數據手冊可知，C19取47μF／25 V的電解電容［11］，R5取6．8Ω。即檢測一次故障所需的時間是0．83 s，如果檢測到故障已被排除，就恢復正常工作。當功率管MOSFET從導通轉變為截止時，在開關電源的一次繞組上就會產生尖峰電壓和感應電壓。當其與直流高壓疊加在MOSFET的漏極D時，很容易造成MOSFET的損壞。為此，在TOP227Y的漏極上必須增加鉗位保護電路，對尖峰電壓進行鉗位或吸收［9］。本設計采用基本的TVS－VD型漏極鉗位保護電路。VD2、VD5構成了漏極鉗位保護電路，它們可以并聯到高頻變壓器一次繞組上也可以連接在功率MOSFET的漏極與地線之間，VD2、VD5的選型取決于反射電壓UOR。通常反射電壓UOR取135 V，UD2鉗位電壓UCLO可由公式（18）得出：

VD2的耐壓值應大于最大直流輸入電壓UMAX，本設計中VD2采用P6KE200鉗位二極管，其鉗位電壓為200 V。VD5采用超快恢復二極管 UF4006（800 V／1 A），其反向耐壓800 V［10］。

2 實驗結果及分析

根據以上的設計原則，采用TOP227Y芯片制作了15 V／1 A的四路輸出開關電源，樣機如圖2所示，并對其性能進行了測試。圖3與圖4為空載時輸出電壓波形及TOP227Y控制端波形，通過對波形的分析可得，其輸出波形基本穩定，具有良好的動態響應特性。

圖2 反激式開關電源實物圖

圖3 輸出電壓波形

圖4 TOP227Y控制端波形

3 結 論

本文以輸入整流濾波、變壓器設計、反饋電路設計和偏置與鉗位保護電路的設計等四個方面為基礎對開關電壓外圍電路各部分基本功能進行了分析與設計，并以TOP227Y芯片為核心研制了一款多路輸出反激式開關電源，給出了基本的設計方法與參數。通過實物制作與波形分析驗證了設計的正確性，其工作穩定可靠。

［1］ 喬恩明，張雙云．開關電源工程設計快速入門［M］．北京：中國電力出版社，2010．

［2］ 曲學基，王增福，曲敬鎧．新編高頻開關穩壓電源［M］．北京：電子工業出版社，2005．

［3］ 周志敏，紀愛華．經典開關電源實用電路139例［M］．北京：電子工業出版社，2011．

［4］ 張占松，蔡宣三．開關電源的原理與設計［M］．北京：電子工業出版社，2004．

［5］ 沙占友，王彥朋，馬洪濤，李 瑋．開關電源優化設計［M］．北京：中國電力出版社，2009．

［6］ 沙占友，王彥朋，安國臣，孟志永．開關電源設計入門與實例解析［M］．北京：中國電力出版社，2009．

［7］ 李定宣．開關穩壓電源設計與應用［M］．北京：中國電力出版社，2006．

［8］ 倪東海，蔣玉萍．高頻開關電源集成控制器［M］．北京：機械工業出版社，2005．

［9］ 沙占友．單片開關電源最新應用技術［M］．北京：機械工業出版社，2002．

［10］胡志強，王改云，王 遠．多路單端反激式開關電源設計［J］．現代電子技術，2013，36（14）：162－170．