摘要：介紹了一種采用TOP227Y智能集成芯片設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源。詳細(xì)地介紹了該芯片的性能特點(diǎn)。根據(jù)TOP227Y的特性給出了該開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法，對(duì)外圍電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并給出了該開(kāi)關(guān)電源的性能測(cè)試結(jié)果。 關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)電源；TO0Switch：脈寬調(diào)制 O 引言 TOPSwitch單片開(kāi)關(guān)電源芯片是美國(guó)PI公司于上世紀(jì)90年代中期推出的新型高頻開(kāi)關(guān)電源芯片，它是三端離線式PWM開(kāi)關(guān)（Three Terminal 0ffLine PWM Switch）的縮寫，被譽(yù)為“頂級(jí)開(kāi)關(guān)電源”。其特點(diǎn)是將高頻開(kāi)關(guān)電源中的PWM控制器和M0SFET功率開(kāi)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(wèn)世，便顯示出了強(qiáng)大的生命力，被廣泛應(yīng)用于儀表、顯示器、開(kāi)關(guān)電源、VCD／DVD、手機(jī)充電器等各種領(lǐng)域，形成了一種高效、低成本、新型的開(kāi)關(guān)電源模式。同時(shí)因?yàn)槠浜?jiǎn)易的設(shè)計(jì)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(jì)的開(kāi)關(guān)電源，具有效率高、體積小以及外圍電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，應(yīng)用TOPSwitch系列芯片所設(shè)計(jì)的單片開(kāi)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(diǎn)及其內(nèi)部框圖 1．1 TOP227Y芯片性能特點(diǎn) TOP227Y屬于TOP系列的第二代產(chǎn)品，其功率開(kāi)關(guān)管耐壓值高達(dá)700V，具有以下顯著特點(diǎn)。 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(kāi)關(guān)場(chǎng)效應(yīng)管、自動(dòng)偏置電路、保護(hù)電路、高壓?jiǎn)?dòng)電路和環(huán)路補(bǔ)償電路，通過(guò)高頻變壓器使輸出端與電網(wǎng)完全隔離，真正實(shí)現(xiàn)了無(wú)工頻變壓器、隔離、反激式開(kāi)關(guān)電源的單片集成化。 2）屬于漏極開(kāi)路輸出并利用電源來(lái)線性調(diào)節(jié)占空比實(shí)現(xiàn)AC／DC變換，電流控制型開(kāi)關(guān)電源。 3）輸入交流電壓和頻率的范圍很寬。 4）只有3個(gè)引出端。能以最簡(jiǎn)單方式構(gòu)成無(wú)工頻變壓器的反激式開(kāi)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(hù)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(kāi)關(guān)電源。 5）開(kāi)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(jiǎn)單，僅須接整流濾波器、高頻變壓器、漏極嵌位保護(hù)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(dá)80％左右，最高可達(dá)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(kāi)關(guān)電源，既保留了開(kāi)關(guān)電源體積小、效率高的優(yōu)點(diǎn)，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(kāi)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(dòng)級(jí)和輸出級(jí)、脈寬凋制器、過(guò)流保護(hù)電路、關(guān)斷／自動(dòng)重啟動(dòng)電路、上電復(fù)位電路、過(guò)熱保護(hù)電路等。 TOP227Y的基本工作原理是利用反饋電路的Ic來(lái)調(diào)節(jié)占空比，D,從而達(dá)到穩(wěn)壓的目的。例如，當(dāng)輸出電壓Vo↓時(shí)，經(jīng)過(guò)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(qǐng)參閱參考文獻(xiàn)。 2 設(shè)計(jì)實(shí)例 根據(jù)技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了一個(gè)輸入為AC 220 V，輸出為DC 5 V，20A的大功率開(kāi)關(guān)電源。該開(kāi)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(jì)工作主要是外圍電路的設(shè)計(jì)。外圍電路由輸人整流濾波電路、箝位保護(hù)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(jì) 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(duì)應(yīng)l μF。假設(shè)整流橋中二極管導(dǎo)通時(shí)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(hù)電路設(shè)計(jì) 每個(gè)開(kāi)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(duì)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(yàn)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(jì) 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(jì)選擇EE一42型鐵氧體磁芯。 2）最大占空比Dmax 式中：VOR為次級(jí)反射到初級(jí)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(jí)自感Lp 式中：fs為TOP227Y的開(kāi)關(guān)頻率，選擇100 kHz 4）導(dǎo)線線徑 在100kHz開(kāi)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(cè)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(jí)匝數(shù) 變壓器匝數(shù)可以從選擇次級(jí)繞組匝數(shù)開(kāi)始。對(duì)于輸入電壓為交流220V的電路，次級(jí)選擇O．6T／V即可滿足要求。根據(jù)變比再確定初級(jí)繞組的匝數(shù)。 2．4 輸出整流濾波電路設(shè)計(jì) 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(kāi)關(guān)損耗占系統(tǒng)損耗的1／6～l／5，是影響開(kāi)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(shí)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(shí)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(shì)，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(jí)繞組的最大反向峰值電壓為 式中：VSM為次級(jí)繞組輸出的最大反向峰值電壓； VS為次級(jí)繞組輸出電壓； Np為初級(jí)繞組匝數(shù)； Ns為次級(jí)繞組匝數(shù)； VAcmax為變壓器初級(jí)輸入電壓最大值。 2.5 反饋電路設(shè)計(jì) 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(hào)經(jīng)分壓網(wǎng)絡(luò)引入TL431的Ret端，轉(zhuǎn)化為電流反饋信號(hào)，經(jīng)過(guò)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(guò)200％，容易造成TOP227Y過(guò)壓保護(hù)動(dòng)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(guò)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(cè)試及結(jié)果分析 根據(jù)以上設(shè)計(jì)，對(duì)采用TOP227Y的輸出電壓為5 V，電流為20 A的開(kāi)關(guān)電源的性能進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該開(kāi)關(guān)電源工作在滿載狀態(tài)時(shí)，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(guò)了以往采用控制電路與功率開(kāi)關(guān)管相分立的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式的開(kāi)關(guān)電源。 4 結(jié)語(yǔ) 由于TOP227Y芯片內(nèi)部集成有PWM控制器、功率開(kāi)關(guān)MOSFET以及多種保護(hù)電路，所以，采用該芯片設(shè)計(jì)出的開(kāi)關(guān)電源具有體積小、重量輕、成本低、外圍電路簡(jiǎn)單、效率及可靠性高等特點(diǎn)，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(jì)的開(kāi)關(guān)電源已應(yīng)用于某電路中，通過(guò)運(yùn)行觀察，該開(kāi)關(guān)電源的性能良好，取得了很好的應(yīng)用效果。