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單片開關電源的快速設計方案(一)
內容摘要：單片開關電源是國際上90年代才開始流行的新型開關電源芯片。本文闡述其快速設計方法，TOPSwitch-GX是2000年底國際上最新推出的第四代單片開關電源系列產品。文中介紹了TOPSwitch-GX的工作原理，重點闡述其測試技術，包括對TOPSwitch-GX集成電路、開關電源穩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和四代單片開關電源集成電路，現已作為主流產品進行推廣，可廣泛用于儀器儀表、筆記本電腦、移動電話、電視機、DVD、攝錄像機、手機電池充電器等領域。對TOPSwitch-GX系列單片機開關電源的測試是一項新技術，它對于評價單片開關電源的技術指標至關重要。
關鍵詞：單片開關電源快速設計；擊穿電壓；穩壓性能
目 錄
引言 1
第 一 章 寬范圍輸入且輸出為5V時PD與η，PO的關系曲線 2
第 二章 正確選擇TOPSwitch－II芯片的方法 5
2．1利用上述關系曲線迅速確定TOPSwitch－II芯片型號的設計程序如下 5
2．2下面將通過3個典型設計實例加以說明 5
第 三 章 根據輸出功率比來修正等效輸出功率等參數 8
3．1修正方法 8
3．2相關參數的修正及選擇 8
第 四 章2TOP開關結構及工作原理 11
4.1結構 11
4.2工作原理 11
結 論 14
致 謝 15
引 言
開關電源被譽為高效節能型電源，它代表著穩壓電源的發展方向，現已成為穩壓電源的主流產品。半個世紀以來，開關電源大致經歷了四個發展階段。早期的開關電源全部由分立元件構成，不僅開關頻率低，效率不高，而且電路復雜，不易調試。20世紀70年代研制出的脈寬調制器集成電路，僅對開關電源中的控制電路實現了集成化。80年代問世的單片開關式穩壓器，將脈寬調制器、功率輸出級、保護電路等集成在一個芯片中，但需配工頻變壓器與電網隔離，從本質上講它仍屬于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電源集成電路(以下簡稱單片開關電源)的問世，AC／DC電源變換器的集成化才終于變成了現實。
單片開關電源集成電路具有高集成度、高性價比、最簡外圍電路、最佳性能指標等優點，能構成高效率無工頻變壓器的隔離式開關電源。各種單片開關電源自1994—2000年陸續推出以來，逐漸顯示出其強大的生命力，目前已成為國際上開發中、小功率開關電源、精密開關電源及開關電源模塊的優選集成電路。它被廣泛用于儀器儀表，辦公自動化設備，無線通信設備，筆記本電腦，彩色電視機，攝、錄像機，AC／DC電源適配器等領域。所構成的開關電源在成本上與相同功率的線性穩壓電源相當，而其電源效率顯著提高，體積與重量大為減小。這就為新型開關電源的推廣與普及，創造了良好條件。
第 一 章 寬范圍輸入且輸出為5V時PD與η，PO的關系曲線
寬范圍輸入時PD與η，PO的關系曲線
PO/W
圖1-1寬范圍輸入且輸出為5V時PD與η，PO的關系曲線
圖1-2寬范圍輸入且輸出為12V時PD與η，PO的關系曲線
圖1-3固定輸入且輸出為5V時PD與η，PO的關系曲線
TOP221～TOP227系列單片開關電源在寬范圍輸入（85V～265V）的條件下，當UO=＋5V或者＋12V時，PD與η、PO的關系曲線分別如圖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。圖中的橫坐標代表輸出功率PO，縱坐標表示電源效率η。所畫出的7條實線分別對應于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利用上述關系曲線迅速確定TOPSwitch－II芯片型號的設計程序如下
（1）首先確定哪一幅曲線圖適用。例如，當Ui=85V～265V，UO=＋5V時，應選擇圖1。而當Ui=220V(即230V－230V×4.3％)，UO=＋12V時，就只能選圖4；
（2）然后在橫坐標上找出欲設計的輸出功率點位置（PO）；
（3）從輸出功率點垂直向上移動，直到選中合適芯片所指的那條實曲線。如不適用，可繼續向上查找另一條實線；
（4）再從等值線（虛線）上讀出芯片的功耗PD。進而還可求出芯片的結溫（Tj）以確定散熱片的大小；
（5）最后轉入電路設計階段，包括高頻變壓器設計，外圍元器件參數的選擇等。
2．2下面將通過3個典型設計實例加以說明
例1：設計輸出為5V、300W的通用開關電源
通用開關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。首先從橫坐標上找到PO=30W的輸出功率點，然后垂直上移與TOP224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=2.5W。這表明，選擇TOP224就能輸出30W功率，并且預期的電源效率為71.2％,芯片功耗為2.5W。
若覺得η=71.2％的效率指標偏低，還可繼續往上查找TOP225的實線。同理，選擇TOP225也能輸出30W功率，而預期的電源效率將提高到75％，芯片功耗降至1.7W。
根據所得到的PD值，進而可完成散熱片設計。這是因為在設計前對所用芯片功耗做出的估計是完全可信的。
例2：設計交流固定輸入230V±15％，輸出為直流12V、30W開關電源。
圖2-1固定輸入且輸出為12V時PD與η，PO的關系曲線
η/％(Uimin=195V)
圖2-2寬范圍輸入時K與Uimin′的關系
圖2-3固定輸入時K與Uimin′的關系
根據已知條件，從圖4中可以查出，TOP223是最佳選擇，此時PO=30W，η=85.2％，PD=0.8W。
例3：計算TOPswitch－II的結溫
這里講的結溫是指管芯溫度Tj。假定已知從結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)、環境溫度為TA。再從相關曲線圖中查出PD值，即可用下式求出芯片的結溫：
Tj=PD·RθA＋TA(1)
舉例說明，TOP225的設計功耗為1.7W，RθA=20℃/W，TA=40℃，代入式（1）中得到Tj=74℃。設計時必須保證，在最高環境溫度TAM下，芯片結溫Tj低于100℃，才能使開關電源長期正常工作。
第 三 章 根據輸出功率比來修正等效輸出功率等參數
3．1修正方法
如上所述，PD與η，PO的關系曲線均對交流輸入電壓最小值作了限制。圖1和圖2規定的Uimin=85V，而圖3與圖4規定Uimin=195V（即230V－230V×15％）。若交流輸入電壓最小值不符合上述規定，就會直接影響芯片的正確選擇。此時須將實際的交流輸入電壓最小值Uimin′所對應的輸入功率PO′，折算成Uimin為規定值時的等效功率PO，才能使用上述4圖。折算系數亦稱輸出功率比（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中的實線所示。需要說明幾點：
（1）圖5和圖6的額定交流輸入電壓最小值Uimin依次為85V，195V，圖中的橫坐標僅標出Ui在低端的電壓范圍。
（2）當Uimin′>Uimin時K>1，即PO′>PO，這表明原來選中的芯片此時已具有更大的可用功率，必要時可選輸出功率略低的芯片。當Uimin′
（3）設初級電壓為UOR，其典型值為135V。但在Uimin′<85V時 ， 受 TOPSwitch－ II調 節 占 空 比 能 力 的 限 制 ， UOR會 按 線 性 規 律 降 低 UOR′ 。 此 時 折 算 系 數 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 電 壓 值 。
例4：設計12V，35W的通用開關電源
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，計算出PO=30.4W。再根據PO值，從圖2上查出最佳選擇應是TOP224型芯片，此時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，因為它比TOP224的價格要高一些，且適合輸出40W～60W的更大功率。
3．2相關參數的修正及選擇
（1）修正初級電感量
在使用TOPSwitch－II系列設計開關電源時，高頻變壓器以及相關元件參數的典型情況見表1，這些數值可做為初選值。當Uimin′
LP′=KLP（3）
查表1可知，使用TOP224時，LP=1475μH。當K=1.15時，LP′=1.15×1475=1696μH。
表3-1光耦合器參數隨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
光敏三極管的發射極電流IE（mA） 3.5 5.0
（2）對其他參數的影響
當Uimin的規定值發生變化時，TOPSwitch－II的占空比亦隨之改變，進而影響光耦合器中的LED工作電流IF、光敏三極管發射極電流IE也產生變化。此時應根據表2對IF、IE進行重新調整。
TOPSwitch－II獨立于Ui、PO的電源參數值，見表3。這些參數一般不受Uimin變化的影響。
表3-2獨立于Ui、PO的電源參數值
獨立參數 典型值
開關頻率f(kHz) 100
輸入保護電路的箝位電壓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 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
第 四 章2TOP開關結構及工作原理
4.1結構
TOP開關集各種控制功能、保護功能及耐壓700V的功率開關MOSFET于一體，采用TO?220或8腳DIP封裝。少數采用8腳封裝的TOP開關，除D、C兩引腳外，其余6腳實際連在一起，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是內裝MOSFET的漏極，也是內部電流的檢測點，起動操作時，漏極端由一個內部電流源提供內部偏置電流�？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，內部的旁路調整端提供內部偏置電流，且能在輸入異常時，自動鎖定保護。源極端S是MOSFET的源極，同時是TOP開關及開關電源初級電路的公共接地點及基準點。
4.2工作原理
TOP包括10部分，其中Zc為控制端的動態阻抗，RE是誤差電壓檢測電阻。RA與CA構成截止頻率為7kHz的低通濾波器。主要特點是：
（1）前沿消隱設計，延遲了次級整流二級管反向恢復產生的尖峰電流沖擊；
（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能向并聯調整器和門驅動極提供偏置電壓，而控制端電流Ic則能調節占空比。控制端的總電容用Ct表示，由它決定自動重起動的定時，同時控制環路的補償，Uc有兩種工作模式，一種是滯后調節，用于起動和過載兩種情況，具有延遲控制作用；另一種是并聯調節，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）帶隙基準電壓源
帶隙基準電壓源除向內部提供各種基準電壓之外，還產生一個具有溫度補償并可調整的電流源，以保證精確設定振蕩器頻率和門極驅動電流。
圖4-1TOP開關內部工作原理圖
（3）振蕩器
內部振蕩電容是在設定的上、下閾值UH、UL之間周期性地線性充放電，以產生脈寬調制器所需要的鋸齒波（SAW），與此同時還產生最大占空比信號(Dmax)和時鐘信號(CLOCK)。為減小電磁干擾，提高電源效率，振蕩頻率（即開關頻率）設計為100kHz，脈沖波形的占空比設定為D。
（4）放大器
誤差放大器的增益由控制端的動態阻抗Zc來設定。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基準電壓進行比較后，輸出誤差電流Ir，在RE上形成誤差電壓UR。
（5）脈寬調制器（PWM）
脈寬調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，即可調節占空比D，實現脈寬調制。第二、誤差電壓UR經由RA、CA組成截止頻率為7kHz的低通濾波器，濾掉開關噪聲電壓之后，加至PWM比較器的同相輸入端，再與鋸齒波電壓UJ進行比較，產生脈寬調制信號UB。
（6）門驅動級和輸出級
門驅動級（F）用于驅動功率開關管(MOSFET)，使之按一定速率導通，從而將共模電磁干擾減至最小。漏?源導通電阻與產品型號和芯片結溫有關。MOSFET管的漏?源擊穿電壓U(bo)ds≥700V。
（7）過流保護電路
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。剛通電時可將整流后的直流限制在0.6A或0.75A。
（8）過熱保護電路
當芯片結溫TJ>135℃時，過熱保護電路就輸出高電平，將觸發器Ⅱ置位，Q=1，，關斷輸出級。此時進入滯后調節模式，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；或者將控制端電壓降至3.3V以下，達到Uc(reset)值，再利用上電復位電路將觸發器Ⅱ置零，使MOSFET恢復正常工作。
（9）關斷/自起動電路
一旦調節失控，關斷/自動重起動電路立即使芯片在5％占空比下工作，同時切斷從外部流入C端的電流，Uc再次進入滯后調節模式。倘若故障己排除，Uc又回到并聯調節模式，自動重新起動電源恢復正常工作。自動重起動的頻率為1.2Hz。
（10）高壓電流源
在起動或滯后調節模式下，高壓電流源經過電子開關S1給內部電路提供偏置，并且對Ct進行充電。電源正常工作時S1改接內部電源，將高壓電流源關斷。
當TOP開關起動操作時，在控制端環路振蕩電路的控制下，漏極端有電流流入芯片，提供開環輸入。該輸入通過旁路調整器、誤差放大器時，由控制端進行閉環調整，改變Ir，經由PWM控制MOSFET的輸出占空比，最后達到動態平衡。
結 論
由于TOP芯片內部完全集成了SMPS的全部功能，所以利用它設計出的開關電源周期短，成本低，對于小功率電源，簡單，體積小，重量輕。隨著TOP開關系列的不斷發展與改進，其在開關電源及其它應用領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師一個學期以來對我的指導和幫助。在我進行畢業設計的過程中，導師給予了我悉心的指導，教會我研究課題的方法，不斷地鼓勵和督促我。每有困難時，導師總會給予我引導，導師的嚴謹治學態度，不斷進取的作風使我獲益匪淺。正是由于導師的這種態度，我的畢業設計才能順利進行下去。在此，我向導師致以衷心的感謝和敬意！
感謝實驗室里的師兄、師姐，他們在我畢業設計過程中給予了悉心的幫助。感謝我周圍的同學的支持與幫助，另外還有很多同學都給予了我幫助，在此一并表示感謝！
參 考 文 獻
[１] Power．Supplemental Data Book and Design Guide,?1998
[２] Motorola公司產品手冊,1999
[３] 沙占友,《新型特種集成電源及其應用》,北京,人民郵電出版社,1998.3
[４] 沙占友等,《新編實用數字化測量技術》,北京,國防工業出版社,1998.1
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