基于TopswitchⅡ型開關(guān)芯片的開關(guān)電源設(shè)計(jì)

　　引言

　　開關(guān)電源本身種類繁多，設(shè)計(jì)方法也復(fù)雜多樣，因此研究一種簡潔的方法去快速設(shè)計(jì)出所需要的通用型高效率，低廉價(jià)格的開關(guān)電源是很有必要的。

　　1 開關(guān)電源工作原理

　　開關(guān)直流穩(wěn)壓電源是基于方波電壓的平均值與其占空比成正比以及電感、電容電路的積分特性而形成的。其基本工作原理是，先對(duì)輸入交流電壓整流，從而形成脈動(dòng)直流電壓，經(jīng)過DC-DC 變換電路變壓，再通過斬波電路形成了不同脈沖寬度的高頻交流電，然后對(duì)其整流濾波輸出需要電壓電流波形。如果輸出電壓波形偏離所需值，便有電流或電壓采樣電路進(jìn)行取樣反饋，經(jīng)過與比較電路的電壓值進(jìn)行參數(shù)比較，把差值信號(hào)放大，從而控制開關(guān)電路的脈沖頻率f 和占空比D，以此來控制輸出端的導(dǎo)通狀態(tài)。因此，輸出端便可以得到所需的電壓電流值。

　　如圖1， 將開關(guān)電源模塊劃分為以下幾個(gè)部分。

　　根據(jù)電力系統(tǒng)的實(shí)際需要，通過對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行分析，便可以設(shè)計(jì)出相應(yīng)的開關(guān)電源產(chǎn)品。

　　圖1 開關(guān)電源原理框圖。

　　2 TopswitchⅡ簡介

　　TOPSwitchⅡ 是POWER 公司生產(chǎn)的高集成的用于開關(guān)電源的專用芯片。它將功率開關(guān)管與其控制電路集成于一個(gè)芯片內(nèi)，并具有自動(dòng)復(fù)位，過熱保護(hù)與過流保護(hù)等功能，其功能原理圖如圖 2 所示。當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，D 引腳變?yōu)楦唠娢?，?nèi)部電流源開始工作且片內(nèi)開關(guān)在0 位，TOPSwitch 給并接在C 引腳的電容C5（見圖2） 充電。當(dāng)C5 端電壓達(dá)到5.7 V 后，自動(dòng)重起電路關(guān)閉，片內(nèi)開關(guān)跳到1 位。C5 一方面提供TOPSwitch 內(nèi)部控制電路的電源，使誤差放大器開始工作，另一方面提供一反饋電流以控制開關(guān)管的占空比。MOSFET 開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由內(nèi)部振蕩電路、保護(hù)電路和誤差放大電路共同產(chǎn)生。C5 兩端的電壓愈高，MOSFET 開關(guān)管驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比愈小。

　　3 TOPSwitch 芯片的選型

　　在設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)，首先就要面臨如何選擇合適的開關(guān)電源控制芯片。在選擇芯片的時(shí)候，要既能滿足要求，又不因?yàn)檫x型造成資源的浪費(fèi)。下面就介紹利用TopswitchⅡ系列開關(guān)電源的功率損耗（ PD ） 與電源效率（η），輸出功率（ Po ） 關(guān)系曲線，快速選擇芯片的型號(hào)，從而完成寬范圍輸入的通用開關(guān)電源的設(shè)計(jì)。

　　圖2 TOPSwitch芯片內(nèi)部原理圖

　　3.1 PD，η， Po 關(guān)系曲線

　　寬范圍輸入的交流電壓為85~ 265 V， 在這種條件下，TOP221~ TOP227 系列單片開關(guān)電源的P D，η，Po 關(guān)系曲線如下，見圖3、圖4.

　　圖3 寬范圍輸入且輸出為5 V 時(shí)PD ，η， Po 關(guān)系曲線。

　　圖4 寬范圍輸入且輸出為12 V 時(shí)PD，η， Po 關(guān)系曲線。

　　注意，這里假定交流輸入電壓最小值umin= 85 V，最高輸入電壓umax = 265 V.途中的橫坐標(biāo)代表輸出功率，而15 條虛線均為芯片功耗的等值線。

　　首先確定適用的曲線圖，例如，當(dāng)u= 85~ 265 V，Uo= + 5 V 時(shí)，應(yīng)該選擇圖3; 當(dāng)u= 220 V（ 即230 V-230 V× 4.3% ），Uo= + 12 V 時(shí)，就應(yīng)該選擇圖4; 然后在橫坐標(biāo)上找出欲設(shè)計(jì)的功率輸出點(diǎn)P o ; 從輸出功率點(diǎn)垂直向上移動(dòng)，知道選中合適芯片所指的那條曲線。如果不適用，可以繼續(xù)向上查找另一條實(shí)線； 然后從等值線（ 虛線） 上讀出芯片的功耗PD，進(jìn)而還可以求出芯片的結(jié)溫（ Tj ） 以確定散熱片的大小。

　　例如，設(shè)計(jì)輸出5 V， 30 W 的通用開關(guān)電源時(shí)，就要選擇圖3.因?yàn)橥ㄓ瞄_關(guān)電源輸入交流電壓范圍85~ 265 V.首先從橫坐標(biāo)上找到Po = 30 W 的輸出功率點(diǎn)，然后垂直上移，與T OP224 的實(shí)線相交于一點(diǎn)，由縱坐標(biāo)上查出該點(diǎn)的η= 71.2%，最后從經(jīng)過這點(diǎn)的那條等值線上，查得PD = 2.5 W.這表明，選擇TOP224 就能輸出30 W 功率，并且預(yù)期的電源效率為71.2%，芯片功耗為2.5 W.如果覺得指標(biāo)效率偏低，還可以繼續(xù)往上查TOP225 的實(shí)線。同理，選擇TOP225 也能輸出30 W 的功率，而預(yù)期的電源效率可以提高到75%，芯片功耗可以降低1.7 W.然后根據(jù)所得到的PD 值，還可以進(jìn)而完成散熱片設(shè)計(jì)。

　　3.2 等效輸出功率的修正

　　PD ，η， Po 關(guān)系曲線均對(duì)交流輸入電壓的最小值進(jìn)行了限制，umin = 85 V.如果交流輸入電壓最小值不符合上述的要求，就會(huì)直接影響芯片的正確選擇。此時(shí)必須從實(shí)際的交流輸入電壓u？ min最小值對(duì)應(yīng)的功率P‘o 折算成umin為規(guī)定值時(shí)的等效功率Po，才能使用上面的圖。功率修正的方法如下： 選擇使用的特性曲線，然后根據(jù)已知的u’min值查出折算系數(shù)K;將P ‘o折算成umin為規(guī)定值時(shí)的等效功率Po，表達(dá)公式P o=P’o / K;然后從圖3、圖4 中選用適當(dāng)?shù)年P(guān)系曲線。

　　圖5 寬范圍輸入時(shí)K 與u‘min 的關(guān)系。

　　例如設(shè)計(jì)12 V， 35 W 的通用開關(guān)電源，已知umin= 90% × 115 V = 103.5 V.從圖5中查出K =1.15.將P ’o = 3.5 W， K = 1.15帶入P o= P ‘o / K 中，計(jì)算出Po= 30.4 W; 再根據(jù)Po 的值，從圖4 中查出選擇的最佳型號(hào)是T OP224 芯片，此時(shí)η = 81.6%，PD= 2 W.如果選擇了T OP223， 則η 降到73.5%，PD 增加到5 W， 顯然不合適。如果選擇T OP225 型，就會(huì)造成資源浪費(fèi)，因?yàn)樗萒OP224 的價(jià)格要高一些，而且適合輸出40~ 60 W 的更大的功率。