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單片開關(guān)電源的快速設(shè)計(jì)方案(一)
內(nèi)容摘要：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。本文闡述其快速設(shè)計(jì)方法，TOPSwitch-GX是2000年底國際上最新推出的第四代單片開關(guān)電源系列產(chǎn)品。文中介紹了TOPSwitch-GX的工作原理，重點(diǎn)闡述其測試技術(shù)，包括對TOPSwitch-GX集成電路、開關(guān)電源穩(wěn)壓性能及高頻變壓器電氣性能的測試，TOPSwitch-GX系列是美國Power Integra-tions公司繼TOPSwitch-GX、 TOPSwitch-GX-II和四代單片開關(guān)電源集成電路，現(xiàn)已作為主流產(chǎn)品進(jìn)行推廣，可廣泛用于儀器儀表、筆記本電腦、移動電話、電視機(jī)、DVD、攝錄像機(jī)、手機(jī)電池充電器等領(lǐng)域。對TOPSwitch-GX系列單片機(jī)開關(guān)電源的測試是一項(xiàng)新技術(shù)，它對于評價(jià)單片開關(guān)電源的技術(shù)指標(biāo)至關(guān)重要。
關(guān)鍵詞：單片開關(guān)電源快速設(shè)計(jì)；擊穿電壓；穩(wěn)壓性能
目 錄
引言 1
第 一 章 寬范圍輸入且輸出為5V時(shí)PD與η，PO的關(guān)系曲線 2
第 二章 正確選擇TOPSwitch－II芯片的方法 5
2．1利用上述關(guān)系曲線迅速確定TOPSwitch－II芯片型號的設(shè)計(jì)程序如下 5
2．2下面將通過3個典型設(shè)計(jì)實(shí)例加以說明 5
第 三 章 根據(jù)輸出功率比來修正等效輸出功率等參數(shù) 8
3．1修正方法 8
3．2相關(guān)參數(shù)的修正及選擇 8
第 四 章2TOP開關(guān)結(jié)構(gòu)及工作原理 11
4.1結(jié)構(gòu) 11
4.2工作原理 11
結(jié) 論 14
致 謝 15
引 言
開關(guān)電源被譽(yù)為高效節(jié)能型電源，它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，現(xiàn)已成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。半個世紀(jì)以來，開關(guān)電源大致經(jīng)歷了四個發(fā)展階段。早期的開關(guān)電源全部由分立元件構(gòu)成，不僅開關(guān)頻率低，效率不高，而且電路復(fù)雜，不易調(diào)試。20世紀(jì)70年代研制出的脈寬調(diào)制器集成電路，僅對開關(guān)電源中的控制電路實(shí)現(xiàn)了集成化。80年代問世的單片開關(guān)式穩(wěn)壓器，將脈寬調(diào)制器、功率輸出級、保護(hù)電路等集成在一個芯片中，但需配工頻變壓器與電網(wǎng)隔離，從本質(zhì)上講它仍屬于DC／DC電源變換器。直到如年代中、后期，隨著各種類型單片開關(guān)電源集成電路(以下簡稱單片開關(guān)電源)的問世，AC／DC電源變換器的集成化才終于變成了現(xiàn)實(shí)。
單片開關(guān)電源集成電路具有高集成度、高性價(jià)比、最簡外圍電路、最佳性能指標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)，能構(gòu)成高效率無工頻變壓器的隔離式開關(guān)電源。各種單片開關(guān)電源自1994—2000年陸續(xù)推出以來，逐漸顯示出其強(qiáng)大的生命力，目前已成為國際上開發(fā)中、小功率開關(guān)電源、精密開關(guān)電源及開關(guān)電源模塊的優(yōu)選集成電路。它被廣泛用于儀器儀表，辦公自動化設(shè)備，無線通信設(shè)備，筆記本電腦，彩色電視機(jī)，攝、錄像機(jī)，AC／DC電源適配器等領(lǐng)域。所構(gòu)成的開關(guān)電源在成本上與相同功率的線性穩(wěn)壓電源相當(dāng)，而其電源效率顯著提高，體積與重量大為減小。這就為新型開關(guān)電源的推廣與普及，創(chuàng)造了良好條件。
第 一 章 寬范圍輸入且輸出為5V時(shí)PD與η，PO的關(guān)系曲線
寬范圍輸入時(shí)PD與η，PO的關(guān)系曲線
PO/W
圖1-1寬范圍輸入且輸出為5V時(shí)PD與η，PO的關(guān)系曲線
圖1-2寬范圍輸入且輸出為12V時(shí)PD與η，PO的關(guān)系曲線
圖1-3固定輸入且輸出為5V時(shí)PD與η，PO的關(guān)系曲線
TOP221～TOP227系列單片開關(guān)電源在寬范圍輸入（85V～265V）的條件下，當(dāng)UO=＋5V或者＋12V時(shí)，PD與η、PO的關(guān)系曲線分別如圖1、圖2所示。這里假定交流輸入電壓最小值Uimin=85V，最高
η/％(Uimin=85V)
η/％(Uimin=195V)
交流輸入電壓Uimax=265V。圖中的橫坐標(biāo)代表輸出功率PO，縱坐標(biāo)表示電源效率η。所畫出的7條實(shí)線分別對應(yīng)于TOP221～TOP227的電源效率，而15條虛線均為芯片功耗的等值線。
第 二章 正確選擇TOPSwitch－II芯片的方法
2．1利用上述關(guān)系曲線迅速確定TOPSwitch－II芯片型號的設(shè)計(jì)程序如下
（1）首先確定哪一幅曲線圖適用。例如，當(dāng)Ui=85V～265V，UO=＋5V時(shí)，應(yīng)選擇圖1。而當(dāng)Ui=220V(即230V－230V×4.3％)，UO=＋12V時(shí)，就只能選圖4；
（2）然后在橫坐標(biāo)上找出欲設(shè)計(jì)的輸出功率點(diǎn)位置（PO）；
（3）從輸出功率點(diǎn)垂直向上移動，直到選中合適芯片所指的那條實(shí)曲線。如不適用，可繼續(xù)向上查找另一條實(shí)線；
（4）再從等值線（虛線）上讀出芯片的功耗PD。進(jìn)而還可求出芯片的結(jié)溫（Tj）以確定散熱片的大��；
（5）最后轉(zhuǎn)入電路設(shè)計(jì)階段，包括高頻變壓器設(shè)計(jì)，外圍元器件參數(shù)的選擇等。
2．2下面將通過3個典型設(shè)計(jì)實(shí)例加以說明
例1：設(shè)計(jì)輸出為5V、300W的通用開關(guān)電源
通用開關(guān)電源就意味著交流輸入電壓范圍是85V～265V。又因UO=＋5V，故必須查圖1所示的曲線。首先從橫坐標(biāo)上找到PO=30W的輸出功率點(diǎn)，然后垂直上移與TOP224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=2.5W。這表明，選擇TOP224就能輸出30W功率，并且預(yù)期的電源效率為71.2％,芯片功耗為2.5W。
若覺得η=71.2％的效率指標(biāo)偏低，還可繼續(xù)往上查找TOP225的實(shí)線。同理，選擇TOP225也能輸出30W功率，而預(yù)期的電源效率將提高到75％，芯片功耗降至1.7W。
根據(jù)所得到的PD值，進(jìn)而可完成散熱片設(shè)計(jì)。這是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)前對所用芯片功耗做出的估計(jì)是完全可信的。
例2：設(shè)計(jì)交流固定輸入230V±15％，輸出為直流12V、30W開關(guān)電源。
圖2-1固定輸入且輸出為12V時(shí)PD與η，PO的關(guān)系曲線
η/％(Uimin=195V)
圖2-2寬范圍輸入時(shí)K與Uimin′的關(guān)系
圖2-3固定輸入時(shí)K與Uimin′的關(guān)系
根據(jù)已知條件，從圖4中可以查出，TOP223是最佳選擇，此時(shí)PO=30W，η=85.2％，PD=0.8W。
例3：計(jì)算TOPswitch－II的結(jié)溫
這里講的結(jié)溫是指管芯溫度Tj。假定已知從結(jié)到器件表面的熱阻為RθA(它包括TOPSwitch－II管芯到外殼的熱阻Rθ1和外殼到散熱片的熱阻Rθ2)、環(huán)境溫度為TA。再從相關(guān)曲線圖中查出PD值，即可用下式求出芯片的結(jié)溫：
Tj=PD·RθA＋TA(1)
舉例說明，TOP225的設(shè)計(jì)功耗為1.7W，RθA=20℃/W，TA=40℃，代入式（1）中得到Tj=74℃。設(shè)計(jì)時(shí)必須保證，在最高環(huán)境溫度TAM下，芯片結(jié)溫Tj低于100℃，才能使開關(guān)電源長期正常工作。
第 三 章 根據(jù)輸出功率比來修正等效輸出功率等參數(shù)
3．1修正方法
如上所述，PD與η，PO的關(guān)系曲線均對交流輸入電壓最小值作了限制。圖1和圖2規(guī)定的Uimin=85V，而圖3與圖4規(guī)定Uimin=195V（即230V－230V×15％）。若交流輸入電壓最小值不符合上述規(guī)定，就會直接影響芯片的正確選擇。此時(shí)須將實(shí)際的交流輸入電壓最小值Uimin′所對應(yīng)的輸入功率PO′，折算成Uimin為規(guī)定值時(shí)的等效功率PO，才能使用上述4圖。折算系數(shù)亦稱輸出功率比（PO′/PO）用K表示。TOPSwitch－II在寬范圍輸入、固定輸入兩種情況下，K與U′min的特性曲線分別如圖5、圖6中的實(shí)線所示。需要說明幾點(diǎn)：
（1）圖5和圖6的額定交流輸入電壓最小值Uimin依次為85V，195V，圖中的橫坐標(biāo)僅標(biāo)出Ui在低端的電壓范圍。
（2）當(dāng)Uimin′>Uimin時(shí)K>1，即PO′>PO，這表明原來選中的芯片此時(shí)已具有更大的可用功率，必要時(shí)可選輸出功率略低的芯片。當(dāng)Uimin′
（3）設(shè)初級電壓為UOR，其典型值為135V。但在Uimin′<85V時(shí) ， 受 TOPSwitch－ II調(diào) 節(jié) 占 空 比 能 力 的 限 制 ， UOR會 按 線 性 規(guī) 律 降 低 UOR′ 。 此 時(shí) 折 算 系 數(shù) K="UOR′" /UOR<1。 圖 5和 圖 6中 的 虛 線 表 示 UOR′ /UOR與 Uimin′ 的 特 性 曲 線 ， 利 用 它 可 以 修 正 初 級 感 應(yīng) 電 壓 值 。
例4：設(shè)計(jì)12V，35W的通用開關(guān)電源
已知Uimin=85V，假定Uimin′=90％×115V=103.5V。從圖5中查出K=1.15。將PO′=35W、K=1.15一并代入式（2）中，計(jì)算出PO=30.4W。再根據(jù)PO值，從圖2上查出最佳選擇應(yīng)是TOP224型芯片，此時(shí)η=81.6％，PD=2W。
若選TOP223，則η降至73.5％,PD增加到5W，顯然不合適。倘若選TOP225型，就會造成資源浪費(fèi)，因?yàn)樗萒OP224的價(jià)格要高一些，且適合輸出40W～60W的更大功率。
3．2相關(guān)參數(shù)的修正及選擇
（1）修正初級電感量
在使用TOPSwitch－II系列設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)，高頻變壓器以及相關(guān)元件參數(shù)的典型情況見表1，這些數(shù)值可做為初選值。當(dāng)Uimin′
LP′=KLP（3）
查表1可知，使用TOP224時(shí)，LP=1475μH。當(dāng)K=1.15時(shí)，LP′=1.15×1475=1696μH。
表3-1光耦合器參數(shù)隨Uimin′的變化
最低交流輸入電壓Uimin(V) 85 195
LED的工作電流IF（mA） 3.5 5.0
光敏三極管的發(fā)射極電流IE（mA） 3.5 5.0
（2）對其他參數(shù)的影響
當(dāng)Uimin的規(guī)定值發(fā)生變化時(shí)，TOPSwitch－II的占空比亦隨之改變，進(jìn)而影響光耦合器中的LED工作電流IF、光敏三極管發(fā)射極電流IE也產(chǎn)生變化。此時(shí)應(yīng)根據(jù)表2對IF、IE進(jìn)行重新調(diào)整。
TOPSwitch－II獨(dú)立于Ui、PO的電源參數(shù)值，見表3。這些參數(shù)一般不受Uimin變化的影響。
表3-2獨(dú)立于Ui、PO的電源參數(shù)值
獨(dú)立參數(shù) 典型值
開關(guān)頻率f(kHz) 100
輸入保護(hù)電路的箝位電壓UB(V) 200
輸出級肖特基整流二極管的正向壓降UF(V) 0.4
初始偏置電壓UFB(V) 16
表3-3輸入濾波電容的選擇
參數(shù) TOP221 TOP222 TOP223 TOP224 TOP225 TOP226 TOP227
高頻變壓器初級電感LP(μH) 8650 4400 2200 1475 1100 880 740
高頻變壓器初級泄漏電感LPO(μH) 175 90 45 30 22 18 15
次級開路時(shí)高頻變壓器的諧振頻率fO(kHz) 400 450 500 550 600 650 700
初級線圈電阻RP（mΩ） 5000 1800 650 350 250 175 140
次級線圈電阻RS（mΩ） 20 12 7 5 4 3.5 3
輸出濾波電感的直流電阻RL1（mΩ） 40 32 25 20 16 13 10
共模扼流圈的直流電阻RL2（mΩ） 400 370 333 300 267 233 200
轉(zhuǎn)
第 四 章2TOP開關(guān)結(jié)構(gòu)及工作原理
4.1結(jié)構(gòu)
TOP開關(guān)集各種控制功能、保護(hù)功能及耐壓700V的功率開關(guān)MOSFET于一體，采用TO?220或8腳DIP封裝。少數(shù)采用8腳封裝的TOP開關(guān)，除D、C兩引腳外，其余6腳實(shí)際連在一起，作為S端，故仍系三端器件。三個引出端分別是漏極端D、源極端S和控制端C。其中，D是內(nèi)裝MOSFET的漏極，也是內(nèi)部電流的檢測點(diǎn)，起動操作時(shí)，漏極端由一個內(nèi)部電流源提供內(nèi)部偏置電流�？刂贫薈控制輸出占空比，是誤差放大器和反饋電流的輸入端。在正常操作時(shí)，內(nèi)部的旁路調(diào)整端提供內(nèi)部偏置電流，且能在輸入異常時(shí)，自動鎖定保護(hù)。源極端S是MOSFET的源極，同時(shí)是TOP開關(guān)及開關(guān)電源初級電路的公共接地點(diǎn)及基準(zhǔn)點(diǎn)。
4.2工作原理
TOP包括10部分，其中Zc為控制端的動態(tài)阻抗，RE是誤差電壓檢測電阻。RA與CA構(gòu)成截止頻率為7kHz的低通濾波器。主要特點(diǎn)是：
（1）前沿消隱設(shè)計(jì)，延遲了次級整流二級管反向恢復(fù)產(chǎn)生的尖峰電流沖擊；
（2）自動重起動功能，以典型值為5％的自動重起動占空比接通和關(guān)斷；
（3）低電磁干擾性（EMI），TOP系列器件采用了與外殼的源極相連，使金屬底座及散熱器的dv/dt=0，從而降低了電壓型控制方式與逐周期峰值電流限制;
（4）電壓型控制方式與逐周期峰值電流限制。
下面簡要敘述一下：
（1）控制電壓源
控制電壓Uc能向并聯(lián)調(diào)整器和門驅(qū)動極提供偏置電壓，而控制端電流Ic則能調(diào)節(jié)占空比�？刂贫说目傠娙萦肅t表示，由它決定自動重起動的定時(shí)，同時(shí)控制環(huán)路的補(bǔ)償，Uc有兩種工作模式，一種是滯后調(diào)節(jié)，用于起動和過載兩種情況，具有延遲控制作用；另一種是并聯(lián)調(diào)節(jié)，用于分離誤差信號與控制電路的高壓電流源。剛起動電路時(shí)由D-C極之間的高壓電流源提供控制端電流Ic，以便給控制電路供電并對Ct充電。
（2）帶隙基準(zhǔn)電壓源
帶隙基準(zhǔn)電壓源除向內(nèi)部提供各種基準(zhǔn)電壓之外，還產(chǎn)生一個具有溫度補(bǔ)償并可調(diào)整的電流源，以保證精確設(shè)定振蕩器頻率和門極驅(qū)動電流。
圖4-1TOP開關(guān)內(nèi)部工作原理圖
（3）振蕩器
內(nèi)部振蕩電容是在設(shè)定的上、下閾值UH、UL之間周期性地線性充放電，以產(chǎn)生脈寬調(diào)制器所需要的鋸齒波（SAW），與此同時(shí)還產(chǎn)生最大占空比信號(Dmax)和時(shí)鐘信號(CLOCK)。為減小電磁干擾，提高電源效率，振蕩頻率（即開關(guān)頻率）設(shè)計(jì)為100kHz，脈沖波形的占空比設(shè)定為D。
（4）放大器
誤差放大器的增益由控制端的動態(tài)阻抗Zc來設(shè)定。Zc的變化范圍是10Ω～20Ω，典型值為15Ω。誤差放大器將反饋電壓UF與5.7V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較后，輸出誤差電流Ir，在RE上形成誤差電壓UR。
（5）脈寬調(diào)制器（PWM）
脈寬調(diào)制器是一個電壓反饋式控制電路，它具有兩層含義。第一、改變控制端電流Ic的大小，即可調(diào)節(jié)占空比D，實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制。第二、誤差電壓UR經(jīng)由RA、CA組成截止頻率為7kHz的低通濾波器，濾掉開關(guān)噪聲電壓之后，加至PWM比較器的同相輸入端，再與鋸齒波電壓UJ進(jìn)行比較，產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號UB。
（6）門驅(qū)動級和輸出級
門驅(qū)動級（F）用于驅(qū)動功率開關(guān)管(MOSFET)，使之按一定速率導(dǎo)通，從而將共模電磁干擾減至最小。漏?源導(dǎo)通電阻與產(chǎn)品型號和芯片結(jié)溫有關(guān)。MOSFET管的漏?源擊穿電壓U(bo)ds≥700V。
（7）過流保護(hù)電路
過流比較器的反相輸入端接閾值電壓ULIMIT，同相輸入端接MOSFET管的漏極。此外，芯片還具有初始輸入電流限制功能。剛通電時(shí)可將整流后的直流限制在0.6A或0.75A。
（8）過熱保護(hù)電路
當(dāng)芯片結(jié)溫TJ>135℃時(shí)，過熱保護(hù)電路就輸出高電平，將觸發(fā)器Ⅱ置位，Q=1，，關(guān)斷輸出級。此時(shí)進(jìn)入滯后調(diào)節(jié)模式，Uc端波形也變成幅度為4.7V～5.7V的鋸齒波。若要重新起動電路，需斷電后再接通電源開關(guān)；或者將控制端電壓降至3.3V以下，達(dá)到Uc(reset)值，再利用上電復(fù)位電路將觸發(fā)器Ⅱ置零，使MOSFET恢復(fù)正常工作。
（9）關(guān)斷/自起動電路
一旦調(diào)節(jié)失控，關(guān)斷/自動重起動電路立即使芯片在5％占空比下工作，同時(shí)切斷從外部流入C端的電流，Uc再次進(jìn)入滯后調(diào)節(jié)模式。倘若故障己排除，Uc又回到并聯(lián)調(diào)節(jié)模式，自動重新起動電源恢復(fù)正常工作。自動重起動的頻率為1.2Hz。
（10）高壓電流源
在起動或滯后調(diào)節(jié)模式下，高壓電流源經(jīng)過電子開關(guān)S1給內(nèi)部電路提供偏置，并且對Ct進(jìn)行充電。電源正常工作時(shí)S1改接內(nèi)部電源，將高壓電流源關(guān)斷。
當(dāng)TOP開關(guān)起動操作時(shí)，在控制端環(huán)路振蕩電路的控制下，漏極端有電流流入芯片，提供開環(huán)輸入。該輸入通過旁路調(diào)整器、誤差放大器時(shí)，由控制端進(jìn)行閉環(huán)調(diào)整，改變Ir，經(jīng)由PWM控制MOSFET的輸出占空比，最后達(dá)到動態(tài)平衡。
結(jié) 論
由于TOP芯片內(nèi)部完全集成了SMPS的全部功能，所以利用它設(shè)計(jì)出的開關(guān)電源周期短，成本低，對于小功率電源，簡單，體積小，重量輕。隨著TOP開關(guān)系列的不斷發(fā)展與改進(jìn)，其在開關(guān)電源及其它應(yīng)用領(lǐng)域中必將有著更加燦爛的前景。
致 謝
首先，我要特別感謝我的導(dǎo)師一個學(xué)期以來對我的指導(dǎo)和幫助。在我進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，導(dǎo)師給予了我悉心的指導(dǎo)，教會我研究課題的方法，不斷地鼓勵和督促我。每有困難時(shí)，導(dǎo)師總會給予我引導(dǎo)，導(dǎo)師的嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)態(tài)度，不斷進(jìn)取的作風(fēng)使我獲益匪淺。正是由于導(dǎo)師的這種態(tài)度，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)才能順利進(jìn)行下去。在此，我向?qū)熤乱灾孕牡母兄x和敬意！
感謝實(shí)驗(yàn)室里的師兄、師姐，他們在我畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中給予了悉心的幫助。感謝我周圍的同學(xué)的支持與幫助，另外還有很多同學(xué)都給予了我?guī)椭诖艘徊⒈硎靖兄x！
參 考 文 獻(xiàn)
[１] Power．Supplemental Data Book and Design Guide,?1998
[２] Motorola公司產(chǎn)品手冊,1999
[３] 沙占友,《新型特種集成電源及其應(yīng)用》,北京,人民郵電出版社,1998.3
[４] 沙占友等,《新編實(shí)用數(shù)字化測量技術(shù)》,北京,國防工業(yè)出版社,1998.1
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