基于TopswitchⅡ型開關芯片的開關電源設計

　　引言

　　開關電源本身種類繁多，設計方法也復雜多樣，因此研究一種簡潔的方法去快速設計出所需要的通用型高效率，低廉價格的開關電源是很有必要的。

　　1 開關電源工作原理

　　開關直流穩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，先對輸入交流電壓整流，從而形成脈動直流電壓，經過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行取樣反饋，經過與比較電路的電壓值進行參數比較，把差值信號放大，從而控制開關電路的脈沖頻率f 和占空比D，以此來控制輸出端的導通狀態。因此，輸出端便可以得到所需的電壓電流值。

　　如圖1， 將開關電源模塊劃分為以下幾個部分。

　　根據電力系統的實際需要，通過對各個部分進行分析，便可以設計出相應的開關電源產品。

　　圖1 開關電源原理框圖。

　　2 TopswitchⅡ簡介

　　TOPSwitchⅡ 是POWER 公司生產的高集成的用于開關電源的專用芯片。它將功率開關管與其控制電路集成于一個芯片內，并具有自動復位，過熱保護與過流保護等功能，其功能原理圖如圖 2 所示。當系統上電時，D 引腳變為高電位，內部電流源開始工作且片內開關在0 位，TOPSwitch 給并接在C 引腳的電容C5（見圖2） 充電。當C5 端電壓達到5.7 V 后，自動重起電路關閉，片內開關跳到1 位。C5 一方面提供TOPSwitch 內部控制電路的電源，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管的占空比。MOSFET 開關管的驅動信號由內部振蕩電路、保護電路和誤差放大電路共同產生。C5 兩端的電壓愈高，MOSFET 開關管驅動脈沖的占空比愈小。

　　3 TOPSwitch 芯片的選型

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

　　圖2 TOPSwitch芯片內部原理圖

　　3.1 PD，η， Po 關系曲線

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

　　圖3 寬范圍輸入且輸出為5 V 時PD ，η， Po 關系曲線。

　　圖4 寬范圍輸入且輸出為12 V 時PD，η， Po 關系曲線。

　　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u= 85~ 265 V，Uo= + 5 V 時，應該選擇圖3; 當u= 220 V（ 即230 V-230 V× 4.3% ），Uo= + 12 V 時，就應該選擇圖4; 然后在橫坐標上找出欲設計的功率輸出點P o ; 從輸出功率點垂直向上移動，知道選中合適芯片所指的那條曲線。如果不適用，可以繼續向上查找另一條實線； 然后從等值線（ 虛線） 上讀出芯片的功耗PD，進而還可以求出芯片的結溫（ Tj ） 以確定散熱片的大小。

　　例如，設計輸出5 V， 30 W 的通用開關電源時，就要選擇圖3.因為通用開關電源輸入交流電壓范圍85~ 265 V.首先從橫坐標上找到Po = 30 W 的輸出功率點，然后垂直上移，與T OP224 的實線相交于一點，由縱坐標上查出該點的η= 71.2%，最后從經過這點的那條等值線上，查得PD = 2.5 W.這表明，選擇TOP224 就能輸出30 W 功率，并且預期的電源效率為71.2%，芯片功耗為2.5 W.如果覺得指標效率偏低，還可以繼續往上查TOP225 的實線。同理，選擇TOP225 也能輸出30 W 的功率，而預期的電源效率可以提高到75%，芯片功耗可以降低1.7 W.然后根據所得到的PD 值，還可以進而完成散熱片設計。

　　3.2 等效輸出功率的修正

　　PD ，η， Po 關系曲線均對交流輸入電壓的最小值進行了限制，umin = 85 V.如果交流輸入電壓最小值不符合上述的要求，就會直接影響芯片的正確選擇。此時必須從實際的交流輸入電壓u？ min最小值對應的功率P‘o 折算成umin為規定值時的等效功率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，然后根據已知的u’min值查出折算系數K;將P ‘o折算成umin為規定值時的等效功率Po，表達公式P o=P’o / K;然后從圖3、圖4 中選用適當的關系曲線。

　　圖5 寬范圍輸入時K 與u‘min 的關系。

　　例如設計12 V， 35 W 的通用開關電源，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，計算出Po= 30.4 W; 再根據Po 的值，從圖4 中查出選擇的最佳型號是T OP224 芯片，此時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，就會造成資源浪費，因為它比TOP224 的價格要高一些，而且適合輸出40~ 60 W 的更大的功率。