新型高功率單片開關(guān)模塊電源的設(shè)計

新型高功率單片開關(guān)模塊電源的設(shè)計

1性能特點與技術(shù)指標(biāo)

單片開關(guān)電源是國際上90年代才開始流行的新型開關(guān)電源芯片，但早期的單片開關(guān)電源芯片普遍應(yīng)用于低功率的開關(guān)穩(wěn)壓電源。第三代單片開關(guān)電源TOP?GX系列IC是美國功率集成公司于2000年初推出的新型高功率單片開關(guān)電源芯片，它除了保持TOP?SwitchⅡ的基本特性外，即在單一CMOS芯片上集成了功率MOSFET、PWM控制器、故障檢測及其它控制電路外，還集成了很多內(nèi)置的以及用戶可配置的功能；在單電壓輸入時的最大輸出功率提高到250W，電磁兼容性能也得到較大的提高。第三代單片開關(guān)電源TOP?GX系列IC的主要性能特點與技術(shù)指標(biāo)是：

（1）TOPSwitch?GX系列新增了如下內(nèi)置功能：

①軟起動：其作用是降低開啟時的超調(diào)以及對元器件的沖擊；

②頻率抖動：降低EMI的峰值；

③較高的占空比允許更大的輸出功率和使用較小的輸入濾波電容；

④零負(fù)載調(diào)節(jié)能力，輕載時很高的效率使得待機(jī)時的功耗很低；

⑤滯后過熱關(guān)斷使器件可自動故障恢復(fù)。

（2）TOPSwitch?GX系列還增設(shè)了用戶可配置的引腳，用于檢測電網(wǎng)過、欠壓，外部設(shè)置電流限制以及兩種開關(guān)頻率（132kHz和66kHz）的選擇。電網(wǎng)欠壓保護(hù)、過壓關(guān)斷，以及通過電路反饋電壓的取樣以降低輸出紋波和在高輸入電壓時最大限度地減小占空比。通過外部電流限制引腳可以精確地減小功率MOSFET的電流，廉價地實現(xiàn)高效率。

（3）另外TOPSwitch?GX系列還采用節(jié)約能源的ECOSMART技術(shù)，該技術(shù)特別在待機(jī)及電源無負(fù)載條件下可以節(jié)約能源。降低能耗的功能包括遠(yuǎn)程ON/OFF功能，即通過遙控的方式控制電源的開閉，亦可實現(xiàn)外同步；在低負(fù)載時自動降低工作頻率。這些功能已超過美國“ENERGYSTAR”的標(biāo)準(zhǔn)。

由于TOPSwitch?GX系列具有以上諸多特點，因而可廣泛用于中、低功率的開關(guān)穩(wěn)壓電源中。它不僅電路簡單，而且可靠性高，故在中、低功率電子設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用前景。

2管腳功能

TOPSwitch?GX系列的管腳排列如圖1所示，該系列有Y封裝和P、G封裝兩種結(jié)構(gòu)。從圖上看出：對于Y封裝的TOPSwitch?GX系列，其D、C、S管腳與原TOPSwitch系列開關(guān)命名一樣，分別為漏極、控制極和源極，新增加的L、X、F管腳的功能如下：

L：為輸入電壓的欠壓與過壓檢測端，同時還具有遠(yuǎn)程遙控功能。如圖2所示，若L端與輸入電壓正端接入2MΩ的電阻，則欠壓保護(hù)值為：

圖1TOP?GX系列開關(guān)管腳圖

(a)TO?220?7C封裝(b)DIP?8B和SMD?8B封裝

圖2Y封裝TOPSwitch?GX系列電網(wǎng)電壓檢測電路

Vuv=Iuv×RL=100V（1）

過壓保護(hù)值為：

Vov=Iov×RL=450V（2）

此外L端還具有遠(yuǎn)程遙控功能，只要在L、C端之間加一個三極管或光電耦合器即可實現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控功能。具體電路如圖3所示。

X：為外部電流設(shè)定調(diào)整端。在X端與源極之間接入不同的電阻值，則開關(guān)電流即限定為不同的數(shù)值。若R2=12kΩ，則流過開關(guān)的電流被設(shè)定為額定值的69％；若R2=6kΩ，為額定值的90％；若R2=25kΩ，為額定值的43％?？梢?，當(dāng)R2值增大時，則開關(guān)允許流過的電流要減小。

F：為開關(guān)頻率選擇端。當(dāng)F端接到源極時，其開關(guān)頻率為132kHz，當(dāng)接到控制端時，其開關(guān)頻率為66kHz。

此外，TOPSwitch?GX系列也可以當(dāng)一般的三端TOP器件使用，此時只要將L、X、F端同時與源極相接即可。但此時新增用戶可配置的功能全部喪失。

對于P、G封裝的TOPSwitch?GX系列開關(guān)都沒有X、F端，而新增M端，其功能與Y封裝中的L端功能相同。

3120W、24V開關(guān)電源模塊的電路設(shè)計

3?1設(shè)計要求

（1）輸入電壓：85V～265VAC，50Hz；

（2）輸出電壓：16V～24VDC；

（3）輸出電流：5.0A；

（4）電網(wǎng)調(diào)整率：±1％。

3?2設(shè)計步驟

根據(jù)設(shè)計要求，現(xiàn)以圖4上的原理圖來說明設(shè)計步驟。

（1）器件選擇

根據(jù)設(shè)計要求選擇TOP248Y作為開關(guān)器件。這時TOP248Y工作在輸出功率的上限，電流設(shè)定在最大值，即將X端直接與源極相連。而過壓值設(shè)定在450VDC，若輸入電壓超過此值，則TOPSwitch?GX將自行關(guān)斷，直到輸入電壓恢復(fù)正常值，TOPSwitch?GX又自行恢復(fù)啟動。頻率選擇端F也與源極直接相連，此時開關(guān)工作頻率設(shè)定在132kHz。

（2）脈沖變壓器的設(shè)計要求

脈沖變壓器的初級電感（即勵磁電感）Lm中的電流與電壓的關(guān)系近似為：Im=×τ（3）

式中：UO為初級電感兩端的電壓；

τ為開關(guān)脈沖寬度。

由式（3）可知：脈沖變壓器的初級電感值要適當(dāng)，一般在300μH到3000μH之間。輸出功率大的情況應(yīng)取低限；反之則取上限。變壓器初級電感不能太小，太小會造成TOPSwitch?GX系列中MOSFET的漏極電流太大，使開關(guān)損耗增加，同時易造成過流保護(hù)動作，使電源難以啟動。同樣初級電感也不能太大，太大則不能滿足輸出功率的要求。

（3）電源次級電路的設(shè)計

次級電路主要是選擇整流管和濾波電容。整流管的選擇應(yīng)根據(jù)輸出電流和電壓，其最大值的選擇為：

IRLCmax?2IO=2×5=10A（4）

圖3Y封裝TOPSwitch?GX系列遠(yuǎn)程遙控電路

圖4120W、24V開關(guān)穩(wěn)壓電源原理圖

式中：VO為輸出電壓；

IO為輸出電流；

Vinmax為最大輸入直流電壓；

Dmin為開關(guān)的最小占空比；

n為脈沖變壓器的變比。

將Vinmax=375V；VO=24V；Dmin=0.18代入式(6)得到脈沖變壓器的變比為:n≈4

此時脈沖變壓器的初級勵磁電流為:Im==1.25A(7)

此值遠(yuǎn)小于TOP248Y的漏極電流（7.2A）。

電源次級整流管在低輸出電壓的情況下，一般采用肖特基二極管，用來減小二極管的損耗。當(dāng)輸出電壓較高時，則需要采用快恢復(fù)二極管（如圖4中D2）；當(dāng)開關(guān)頻率較高時，應(yīng)采用超快恢復(fù)二極管作整流管，以減小其反向電流對初級的影響。

濾波電容C7的容量應(yīng)滿足輸出電壓紋波的要求，L1及C8應(yīng)能有效地濾除開關(guān)所產(chǎn)生的噪聲影響。

（4）反饋調(diào)整電路的設(shè)計

反饋調(diào)整電路采用光耦和可調(diào)三端穩(wěn)壓器TL431組成的調(diào)整電路，如圖4電路中的VR2、R5、R7、R10、R11和R6組成的輸出電壓調(diào)整電路。R5作為光耦的限流電阻，并不能影響電路的檢測環(huán)路的增益。在起動瞬間，檢測光耦輸出電流，從而改變控制端C的電流，實現(xiàn)預(yù)調(diào)整，以確保電源在低電網(wǎng)電壓和滿載啟動時達(dá)到規(guī)定的調(diào)整值。R9、C10、C11和R4、C4組成環(huán)路補(bǔ)償電路。

4設(shè)計中應(yīng)注意的問題

TOPSwitch?GX系列開關(guān)電源若設(shè)計得當(dāng)，則較容易滿足設(shè)計要求；若設(shè)計不當(dāng)，則會出現(xiàn)一些不正?，F(xiàn)象。在設(shè)計電源時應(yīng)注意以下幾個問題：

（1）因為電源的輸出功率較大，故要求脈沖變壓器的漏感應(yīng)盡可能小，特別是低壓大電流的情況下更應(yīng)如此。脈沖變壓器的初、次級繞組應(yīng)相間繞制。即使這樣，脈沖變壓器漏感中儲存的能量仍有可能超過瞬態(tài)抑制二極管VR1的功率容量，因而用R2、R3和C2與VR1并聯(lián)，將漏感中的能量部分地?fù)p耗在R2、R3上，以保證VR1的工作可靠性；同時又將電壓鉗位在200VDC，使TOPSwitch?GX在電源啟動與過載條件下，確保器件內(nèi)部MOSFET的漏極電壓低于700VDC。

（2）輸出濾波電容的等效串聯(lián)電阻應(yīng)盡可能的

小，特別是在低壓大電流的情況下更應(yīng)如此，否則由于電容損耗增大而大大降低電源的可靠性。

（3）光耦的出端應(yīng)靠近控制端C，控制端C的濾

波電容應(yīng)靠近源極；另外多功能端L、X、F或M與源極連接線也應(yīng)盡可能短，同時要遠(yuǎn)離漏極，以減小電源噪聲。

5結(jié)語

第三代TOPSwitch?GX系列比第二代TOPSwitch系列增加了許多功能，同時輸出功率也有較大提高。實踐證明，用第三代TOPSwitch?GX系列設(shè)計單片開關(guān)模塊電源，其電路結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾性能好，可靠性高，性價比高，故在中、低功率電子設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用前景。