基于TOP227Y芯片的新型開關(guān)電源的設(shè)計
關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；TO0Switch：脈寬調(diào)制
O 引言
TOPSwitch單片開關(guān)電源芯片是美國PI公司于上世紀(jì)90年代中期推出的新型高頻開關(guān)電源芯片，它是三端離線式PWM開關(guān)(Three Terminal 0ffLine PWM Switch)的縮寫，被譽為“頂級開關(guān)電源”。其特點是將高頻開關(guān)電源中的PWM控制器和M0SFET功率開關(guān)管集成在同一芯片上，是一種二合—器件。其第一代產(chǎn)品是1994年推出的TOPl00／200系列；第二代產(chǎn)品是1997年推出的TOPSwitch—II系列。這些產(chǎn)品一經(jīng)問世，便顯示出了強大的生命力，被廣泛應(yīng)用于儀表、顯示器、開關(guān)電源、VCD／DVD、手機充電器等各種領(lǐng)域，形成了一種高效、低成本、新型的開關(guān)電源模式。同時因為其簡易的設(shè)計方法，使得TOOPSwitch芯片在應(yīng)用中更顯得得心應(yīng)手。應(yīng)用該芯片設(shè)計的開關(guān)電源，具有效率高、體積小以及外圍電路簡單等優(yōu)點?？梢灶A(yù)見，應(yīng)用TOPSwitch系列芯片所設(shè)計的單片開關(guān)電源必將在更廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用。
1 TOP227Y芯片性能特點及其內(nèi)部框圖
1．1 TOP227Y芯片性能特點
TOP227Y屬于TOP系列的第二代產(chǎn)品，其功率開關(guān)管耐壓值高達700V，具有以下顯著特點。
1)將脈寬調(diào)制控制系統(tǒng)的全部功能集成到三端芯片中，內(nèi)含脈寬調(diào)制器、功率開關(guān)場效應(yīng)管、自動偏置電路、保護電路、高壓啟動電路和環(huán)路補償電路，通過高頻變壓器使輸出端與電網(wǎng)完全隔離，真正實現(xiàn)了無工頻變壓器、隔離、反激式開關(guān)電源的單片集成化。
2)屬于漏極開路輸出并利用電源來線性調(diào)節(jié)占空比實現(xiàn)AC／DC變換，電流控制型開關(guān)電源。
3)輸入交流電壓和頻率的范圍很寬。
4)只有3個引出端。能以最簡單方式構(gòu)成無工頻變壓器的反激式開關(guān)電源，其控制端屬于多功能引出端，可完成多種控制、偏置及保護功能，具有連續(xù)和不連續(xù)兩種工作模式，反饋電路有4種基本類型，能構(gòu)成各種普通型和精密型開關(guān)電源。
5)開關(guān)頻率的典型值為100kHz，允許范圍是90～110kHz，占空比調(diào)節(jié)范圍是1．7％～67％。
6)外圍電路簡單，僅須接整流濾波器、高頻變壓器、漏極嵌位保護電路、反饋電路和輸出電路。
7)因芯片本身功耗很低，電源效率高，可達80％左右，最高可達90％。
8)若將它配以低壓差線性集成穩(wěn)壓器，則可構(gòu)成一種新型復(fù)合式開關(guān)電源，既保留了開關(guān)電源體積小、效率高的優(yōu)點，又具有線性穩(wěn)壓電源穩(wěn)定性好、紋波電壓低等優(yōu)良特性。
9)采用這種芯片能降低開關(guān)電源所產(chǎn)生的電磁干擾。
10)其工作溫度范圍是0～70℃，芯片最高結(jié)溫Tom=135℃。
1.2 TOP227Y內(nèi)部框圖
TOP227Y的內(nèi)部框圖如圖1所示，主要包括控制電壓源、帶隙參考基準(zhǔn)電壓源、振蕩器、并聯(lián)調(diào)整器／誤差放大器、門驅(qū)動級和輸出級、脈寬凋制器、過流保護電路、關(guān)斷／自動重啟動電路、上電復(fù)位電路、過熱保護電路等。
TOP227Y的基本工作原理是利用反饋電路的Ic來調(diào)節(jié)占空比，D,從而達到穩(wěn)壓的目的。例如，當(dāng)輸出電壓Vo↓時，經(jīng)過光耦反饋電路使得Ic→D→Vo↑，最終使Vo保持不變，具體工作原理請參閱參考文獻。
2 設(shè)計實例
根據(jù)技術(shù)要求，設(shè)計了一個輸入為AC 220 V，輸出為DC 5 V，20A的大功率開關(guān)電源。該開關(guān)電源的基本電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
由于TOPSwitch集成度高，設(shè)計工作主要是外圍電路的設(shè)計。外圍電路由輸人整流濾波電路、箝位保護電路、變壓器、輸出整流濾波電路及反饋電路5部分組成。電路原理圖如圖3所示。
2．1 輸入整流濾波電路設(shè)計
整流濾波電路包括輸入交流濾波、整流和電容穩(wěn)壓3部分。交流濾波采用II型濾波電路，具體參數(shù)如下：去除共模干擾的Co、C1、C1為10nF；去除差模干擾的G2、G3，為1μF；10mH，采取雙線并繞。整流電路選擇不可控的整流橋。在當(dāng)前供電條件下，電容G4的電容值可根據(jù)輸出功率，每W對應(yīng)l μF。假設(shè)整流橋中二極管導(dǎo)通時間為tc=3ms，可得電容的最小耐壓值(最小直流輸入電壓)為
式中：VACmin最小交流電網(wǎng)電壓；
Po為輸出總功率；
η為系統(tǒng)的效率，可選擇80％；
f為交流電網(wǎng)頻率。
2．2 箝位保護電路設(shè)計
每個開關(guān)周期內(nèi)，TOPSwitch的關(guān)斷將導(dǎo)致變壓器漏感產(chǎn)生尖峰電壓。VR1和VD1構(gòu)成的箝位電路防止了此電壓對TOPSwitch的損壞，VR1和Vo1的選擇由反射電壓VOR決定。VOR一般選擇為135 V，VR1嵌位電壓VCLD可由經(jīng)驗公式VCLO=1．5VOR得出，VD1的耐壓值應(yīng)大于最大直流輸入電壓Vmas并選擇快恢復(fù)二極管。
2．3 變壓器設(shè)計
1)磁芯類型
為滿足TOP227Y芯片100 kHz的工作頻率，宜選用錳鋅鐵氧體磁芯，本設(shè)計選擇EE一42型鐵氧體磁芯。
2)最大占空比Dmax
式中：VOR為次級反射到初級的反射電壓，可選135 V：
VDS為TOP227Y的通態(tài)電壓，一般可選10Y。
3)變壓器初級自感Lp
式中：fs為TOP227Y的開關(guān)頻率，選擇100 kHz
4)導(dǎo)線線徑
在100kHz開關(guān)頻率下，銅芯導(dǎo)線的穿透深度是O．20～O．22mm，圓形銅芯導(dǎo)線的直徑則是兩倍的穿透深度O．40～0 44mm，再增加聚酯絕緣外層厚度O．06mm，則導(dǎo)線測量絕緣外徑為O．46～O．50mm，這里我們選用導(dǎo)線線徑為O．5mm。
5)每匝電壓值
工作在反激狀態(tài)下，繞組輸出電壓與每匝電壓值成正比，確定各繞組匝數(shù)N前須確定每匝電壓值。
6)變壓器初、次級匝數(shù)
變壓器匝數(shù)可以從選擇次級繞組匝數(shù)開始。對于輸入電壓為交流220V的電路，次級選擇O．6T／V即可滿足要求。根據(jù)變比再確定初級繞組的匝數(shù)。
2．4 輸出整流濾波電路設(shè)計
輸出整流濾波電路由整流二極管和濾波電容構(gòu)成。輸出整流二極管的開關(guān)損耗占系統(tǒng)損耗的1／6～l／5，是影響開關(guān)電源效率的主要因素，它包括正向?qū)〒p耗和反向恢復(fù)損耗。由于肖特基二極管導(dǎo)通時正向壓降較低，因此，其正向?qū)〒p耗低。此外，肖特基二極管反向恢復(fù)時間短，在降低反向恢復(fù)損耗以及消除輸出電壓中的紋波方面有明顯的優(yōu)勢，故選用肖特基二極管作為整流二極管。參照最大反向峰值電壓選取肖特基二極管。次級繞組的最大反向峰值電壓為
式中：VSM為次級繞組輸出的最大反向峰值電壓；
VS為次級繞組輸出電壓；
Np為初級繞組匝數(shù)；
Ns為次級繞組匝數(shù)；
VAcmax為變壓器初級輸入電壓最大值。
2.5 反饋電路設(shè)計
反饋電路依據(jù)輸出電壓精度確定，本電源使用線性光耦+TL43l方案，可以把輸出電壓精度控制在±1％。電壓反饋信號經(jīng)分壓網(wǎng)絡(luò)引入TL431的Ret端，轉(zhuǎn)化為電流反饋信號，經(jīng)過光耦隔離后輸入TOP227Y的控制端。光耦工作在線性狀態(tài)，起隔離作用。如果所選光耦的電流放大率上限超過200％，容易造成TOP227Y過壓保護動作，相反，若電流放大率下限小于40％，占空比，D將不能隨反饋電流的增大而減小，從而導(dǎo)致過流。因此，應(yīng)選擇電流放大率范圍接近100％的光耦。本療案選擇Siemens
的CNY17—2(電流放大率為63％～125％)。
3 電源性能測試及結(jié)果分析
根據(jù)以上設(shè)計，對采用TOP227Y的輸出電壓為5 V，電流為20 A的開關(guān)電源的性能進行了測試。實測結(jié)果表明，該開關(guān)電源工作在滿載狀態(tài)時，最大占空比為0．42，電源的效率為84％，紋波電壓控制、電壓調(diào)節(jié)精度及電源工作效率都超過了以往采用控制電路與功率開關(guān)管相分立的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式的開關(guān)電源。
4 結(jié)語
由于TOP227Y芯片內(nèi)部集成有PWM控制器、功率開關(guān)MOSFET以及多種保護電路，所以，采用該芯片設(shè)計出的開關(guān)電源具有體積小、重量輕、成本低、外圍電路簡單、效率及可靠性高等特點，因而在電子設(shè)備中具有廣泛的應(yīng)用前景。本文所設(shè)計的開關(guān)電源已應(yīng)用于某電路中，通過運行觀察，該開關(guān)電源的性能良好，取得了很好的應(yīng)用效果。
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