TOP250Y開關(guān)電源的工作原理及關(guān)鍵電路參數(shù)設(shè)計(jì)

引 言

TOPSwitch電源技術(shù)是近年來迅速發(fā)展的一種開關(guān)電源技術(shù)，因其在體積、效率和可靠性等方面的優(yōu)勢(shì)，目前在通信、計(jì)算機(jī)和家用電器等眾多領(lǐng)域中得到了非常廣泛的應(yīng)用。但由于前幾代TOPSwitch遍存在輸出功率受限的不足之處，使其在要求有較大輸出功率的電源應(yīng)用中受到很大的限制。針對(duì)這種情況， Power Integrations公司推出了TOPSwitch的第四代單芯片高壓IC系列： TOPSwitch-GX系列。

TOPSwitch-GX單芯片高壓IC 系列將高壓功率MOSFET、PWM控制、故障保護(hù)和其他控制電路等高性價(jià)比地集成在單片CMOS芯片上。其內(nèi)建特性包括用于在啟動(dòng)時(shí)消除過沖和降低元件應(yīng)力的軟啟動(dòng)、減小EMI 的頻率抖動(dòng)、欠壓保護(hù)和過壓保護(hù)、可編程限流等優(yōu)異特性。

與TOPSwitch-GX系列其它產(chǎn)品一樣，因?yàn)槠洳捎昧藛涡酒刂频脑O(shè)計(jì)理念，而且TOP250Y只有很少的三四個(gè)外圍元器件，這就使得相同設(shè)計(jì)的電源尺寸更小、待機(jī)效率更高、系統(tǒng)成本更低，并保持了用途廣泛和設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的特色，使電源設(shè)計(jì)能為290W以下的應(yīng)用創(chuàng)造出高性價(jià)比的方案。

本文具體分析了TOP250Y開關(guān)電源的工作原理，并詳細(xì)介紹了TOP250Y型芯片在大功率開關(guān)電源應(yīng)用中關(guān)鍵電路參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，并給出了設(shè)計(jì)實(shí)例。該實(shí)例中電源最大輸出功率達(dá)到了288 W，對(duì)單芯片TOPSwitch在大功率開關(guān)電源領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用研究具有指導(dǎo)意義。

TOP250Y開關(guān)電源的基本原理

TOP250Y型芯片有六個(gè)管腳：D、S、C、F、X、L，簡(jiǎn)單的TO220-7C 封裝外形簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 TOP250Y封裝外形圖

圖1各管腳功能如下：

漏極管腳（D）：高壓功率MOSFET漏極輸出。控制管腳（C）：用于調(diào)節(jié)占空比的誤差放大器與電流輸入腳。

源極管腳（S）：將其連接至輸出MOSFET源極時(shí)可得到高壓功率回饋。

電壓檢測(cè)管腳（L）：具有欠壓保護(hù)、過壓保護(hù)、減少Dmax的線性前饋及遠(yuǎn)程開關(guān)等功能。外部限流管腳（X）：用于外部電流限制值設(shè)置的輸入腳。

頻率管腳（F）：用于選擇開關(guān)頻率的輸入腳。由TOP250Y構(gòu)成288W（24V/12A）大功率高效開關(guān)電源的電路如圖2所示。

圖2 由TOP250Y構(gòu)成的開關(guān)電源電路

其交流輸入電壓范圍是交流176～264V ，滿載時(shí)電源效率可達(dá)86%。交流電壓UI 依次經(jīng)過電磁干擾（EMI） 濾波器（C1，L1）、輸入整流濾波器（V1，C2） 獲得直流高壓。直流高壓經(jīng)過R1 后接N1 的L端，為TOP250Y提供電壓前饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)以及使電源隨輸入電壓改變Dmax功能。這里將N1的X 腳接地，使TOP250Y 工作在最大占空比，因此，即使在寬范圍輸入時(shí)，電源也能達(dá)到最大連續(xù)輸出功率PoM=290W。將N1的F腳接地，使TOP250Y工作在較高的132kHz頻率上，采用這種設(shè)計(jì)方法允許高頻變壓器選用尺寸較小的磁芯，并防止出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象。

次級(jí)電壓經(jīng)過V5，C8～C11，L2和C12整流濾波后，獲得+ 24V/12A的穩(wěn)壓輸出。C8～C11濾除紋波電壓，L2和C12則用來消除開關(guān)噪聲。該電源采用一個(gè)簡(jiǎn)單的串聯(lián)穩(wěn)壓管方式的光耦反饋電路。E1為4N25型線性光耦合器。V7和V8分別采用1N963 和1N962 型穩(wěn)壓管。其穩(wěn)壓原理如下：當(dāng)由于某種原因致使輸出電壓Uo↑，所產(chǎn)生的誤差電壓使E1中LED的IF↑，光耦接收管的IE↑，使得N1 控制端電流Ic↑，而占空比D ↓，導(dǎo)致Uo↓，從而實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓目的。反之， Uo↓→I F↓→I E↓→Ic↓→D↑→Uo↑，同樣起到穩(wěn)壓作用。

當(dāng)開關(guān)電源空載時(shí)，TOP250Y能采用跳過周期的方式極大地降低最大輸出占空比，使得Dmax《2%。因此，在輸出端無須接假負(fù)載，這樣還可降低空載或待機(jī)狀態(tài)下的功耗。

V6和C14為次級(jí)提供軟啟動(dòng)，C14為軟啟動(dòng)電容，能消除剛接通電源時(shí)產(chǎn)生的電壓過沖現(xiàn)象，使反饋繞組提供給N1的C腳電壓先于輸出電壓，這樣就保證了即使在低輸入電壓和滿載情況下，也能使輸出電壓在啟動(dòng)時(shí)正常調(diào)整。電阻R5和電容C13構(gòu)成控制環(huán)路補(bǔ)償電路。

反饋繞組電壓經(jīng)過V4和C5整流濾波后，產(chǎn)生12 V的反饋電壓，經(jīng)過E1 給TOP250Y 的控制端提供偏壓。C4 是旁路電容，它還與R3 和C3 構(gòu)成控制環(huán)路的補(bǔ)償電路。

齊納箝位管V2、超快速二極管V3、電阻R2和電容C6組成尖峰吸收電路。用于吸收在TOP250Y關(guān)斷時(shí)由高頻變壓器漏感產(chǎn)生的尖峰電壓， 對(duì)TOP250Y中MOSFET管的漏極起到保護(hù)作用。

由于V2上并聯(lián)R2和C6，在正常工作時(shí)，R2幾乎承擔(dān)了所有的泄放能量，而在啟動(dòng)或超載的情況下，V2又限制了尖峰電壓不超過N1中MOSFET管的安全電壓（700V）。

關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)與實(shí)例

舉例電路參數(shù)： 交流UI=176～264V， f=132kHz， D =0.5， Uo=24V， Io=12A， Po=288W，紋波≤1%。

輸入濾波電容的設(shè)計(jì)

考慮市電掉一個(gè)脈沖的時(shí)間是10 ms ，取電源輸出的保持時(shí)間td=10ms ，電容C2 上的直流電壓從250V（176V×1.414）下降到220 V后，輸出才開始下降。故

PQ3535的功率容量乘積為1.72 ，為0.66的3倍，如果按50%的余量計(jì)算，在132kHz開關(guān)頻率工作時(shí)，PQ3535的輸出功率可達(dá)375W ，因此設(shè)計(jì)值為288W是充分留有余量的。

變壓器的各電參數(shù)設(shè)計(jì)

a.計(jì)算初級(jí)繞組的電感量

依據(jù)上述計(jì)算參數(shù)及耐壓要求，查手冊(cè)實(shí)際選用四只35V/1000μF電容并聯(lián)，其等效ESR 約為0.017Ω，滿足設(shè)計(jì)要求。

尖峰吸收電路和環(huán)路控制頻率補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)

尖峰吸收電路和環(huán)路控制頻率補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)也可由相應(yīng)公式得到，但由于電路元器件參數(shù)差別和加工工藝的影響，上述兩種電路參數(shù)的設(shè)計(jì)還需要大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，因此僅給出本電源設(shè)計(jì)的參數(shù)，這里就不再贅述了。

試驗(yàn)結(jié)果

通過用LeCroy公司生產(chǎn)的電源專用示波器測(cè)試，得到本電源設(shè)計(jì)的主要試驗(yàn)結(jié)果如下：

Po = 290.402W；空載功耗≤1.48W； 線性調(diào)整率≤±0.97%；負(fù)載調(diào)整率≤±1.74%； 紋波≤0.95%；效率≥86.1%。

結(jié) 語

根據(jù)上述理論， 成功設(shè)計(jì)了一種新一代TOPSwitch控制的大功率開關(guān)電源。不僅證明了設(shè)計(jì)方法的正確，而且整個(gè)電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，電源可靠性也得到很大提高。隨著對(duì)TOPSwitch的進(jìn)一步研究，由新一代TOPSwitch控制的大功率開關(guān)電源必將得到更加廣泛的應(yīng)用。