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單片開(kāi)關(guān)電源的快速設計法

文章來(lái)源：更新時(shí)間：2015/8/20 13:32:00

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在設計開(kāi)關(guān)電源時(shí)，首先面臨的問(wèn)題是如何選擇合適的單片開(kāi)關(guān)電源芯片，既能滿(mǎn)足要求，又不因選型不當而造成資源的浪費。然而，這并非易事。原因之一是單片開(kāi)關(guān)電源現已形成四大系列、近70種型號，即使采用同一種封裝的不同型號，其輸出功率也各不相同；原因之二是選擇芯片時(shí)，不僅要知道設計的輸出功率PO，還必須預先確定開(kāi)關(guān)電源的效率η和芯片的功率損耗PD，而后兩個(gè)特征參數只有在設計安裝好開(kāi)關(guān)電源時(shí)才能測出來(lái)，在設計之前它們是未知的。
下面重點(diǎn)介紹利用TOPSwitch－II系列單片開(kāi)關(guān)電源的功率損耗（PD）與電源效率（η）、輸出功率（PO）關(guān)系曲線(xiàn)，快速選擇芯片的方法，可圓滿(mǎn)解決上述難題。在設計前，只要根據預期的輸出功率和電源效率值，即可從曲線(xiàn)上查出最合適的單片開(kāi)關(guān)電源型號及功率損耗值，這不僅簡(jiǎn)化了設計，還為選擇散熱器提
η/％(Uimin=85V)
中圖法分類(lèi)號：TN86文獻標識碼：A文章編碼：0219?2713(2000)09?488?05

PO/W

圖1寬范圍輸入且輸出為5V時(shí)PD與η，PO的關(guān)系曲線(xiàn)

圖2寬范圍輸入且輸出為12V時(shí)PD與η，PO的關(guān)系曲線(xiàn)

圖3固定輸入且輸出為5V時(shí)PD與η，PO的關(guān)系曲線(xiàn)

供了依據。

1TOPSwitch－II的PD與η、PO關(guān)系曲線(xiàn)

TOPSwitch－II系列的交流輸入電壓分寬范圍輸入（亦稱(chēng)通用輸入），固定輸入（也叫單一電壓輸入）兩種情況。二者的交流輸入電壓分別為Ui=85V～265V，230V±15％。

1．1寬范圍輸入時(shí)PD與η，PO的關(guān)系曲線(xiàn)

TOP221～TOP227系列單片開(kāi)關(guān)電源在寬范圍輸入（85V～265V）的條件下，當UO=＋5V或者＋12V時(shí)，PD與η、PO的關(guān)系曲線(xiàn)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(huà)出的7條實(shí)線(xiàn)分別對應于TOP221～TOP227的電源效率，而15條虛線(xiàn)均為芯片功耗的等值線(xiàn)（下同）。

1．2固定輸入時(shí)PD與η、PO的關(guān)系曲線(xiàn)

TOP221～TOP227系列在固定交流輸入（230V±15％）條件下，當UO=＋5V或＋12V時(shí)，PD與η、PO的關(guān)系曲線(xiàn)分別如圖3、圖4所示。這兩個(gè)曲線(xiàn)族對于208V、220V、240V也同樣適用�，F假定Uimin=195V,Uimax=265V。

2正確選擇TOPSwitch－II芯片的方法

利用上述關(guān)系曲線(xiàn)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(xiàn)圖適用。例如，當Ui=85V～265V，UO=＋5V時(shí)，應選擇圖1。而當Ui=220V(即230V－230V×4.3％)，UO=＋12V時(shí)，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(diǎn)位置（PO）；

（3）從輸出功率點(diǎn)垂直向上移動(dòng)，直到選中合適芯片所指的那條實(shí)曲線(xiàn)。如不適用，可繼續向上查找另一條實(shí)線(xiàn)；

（4）再從等值線(xiàn)（虛線(xiàn)）上讀出芯片的功耗PD。進(jìn)而還可求出芯片的結溫（Tj）以確定散熱片的大��；

（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。

下面將通過(guò)3個(gè)典型設計實(shí)例加以說(shuō)明。

例1：設計輸出為5V、300W的通用開(kāi)關(guān)電源

通用開(kāi)關(guān)電源就意味著(zhù)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(xiàn)。首先從橫坐標上找到PO=30W的輸出功率點(diǎn)，然后垂直上移與TOP224的實(shí)線(xiàn)相交于一點(diǎn)，由縱坐標上查出該點(diǎn)的η=71.2％，最后從經(jīng)過(guò)這點(diǎn)的那條等值線(xiàn)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(jué)得η=71.2％的效率指標偏低，還可繼續往上查找TOP225的實(shí)線(xiàn)。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(jìn)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(kāi)關(guān)電源。

圖4固定輸入且輸出為12V時(shí)PD與η，PO的關(guān)系曲線(xiàn)

η/％(Uimin=195V)

圖5寬范圍輸入時(shí)K與Uimin′的關(guān)系

圖6固定輸入時(shí)K與Uimin′的關(guān)系

根據已知條件，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(huán)境溫度為T(mén)A。再從相關(guān)曲線(xiàn)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(shuō)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(shí)必須保證，在最高環(huán)境溫度TAM下，芯片結溫Tj低于100℃，才能使開(kāi)關(guān)電源長(cháng)期正常工作。

3根據輸出功率比來(lái)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(guān)系曲線(xiàn)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(huì )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′所對應的輸入功率PO′，折算成Uimin為規定值時(shí)的等效功率PO，才能使用上述4圖。折算系數亦稱(chēng)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(xiàn)分別如圖5、圖6中的實(shí)線(xiàn)所示。需要說(shuō)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，圖中的橫坐標僅標出Ui在低端的電壓范圍。

（2）當Uimin′>Uimin時(shí)K>1，即PO′>PO，這表明原來(lái)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Uimin′（3）設初級電壓為UOR，其典型值為135V。但在Uimin′<85V時(shí) ，受 TOPSwitch－ II調節占空比能力的限制， UOR會(huì ) 按線(xiàn) 性規律降低 UOR′ 。此時(shí) 折算系數 K="UOR′" /UOR<1。圖 5和圖 6中的虛線(xiàn) 表示 UOR′ /UOR與 Uimin′ 的特性曲線(xiàn) ，利用它可以修正初級感應電壓值。

現將對輸出功率進(jìn)行修正的工作程序歸納如下：

（1）首先從圖5、圖6中選擇適用的特性曲線(xiàn)，然后根據已知的Uimin′值查出折算系數K。

（2）將PO′折算成Uimin為規定值時(shí)的等效功率PO，有公式

PO=PO′/K（2）

（3）最后從圖1～圖4中選取適用的關(guān)系曲線(xiàn)，并根據PO值查出合適的芯片型號以及η、PD參數值。

下面通過(guò)一個(gè)典型的實(shí)例來(lái)說(shuō)明修正方法。

例4：設計12V，35W的通用開(kāi)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(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(huì )造成資源浪費，因為它比TOP224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)參數的修正及選擇

（1）修正初級電感量

在使用TOPSwitch－II系列設計開(kāi)關(guān)電源時(shí)，高頻變壓器以及相關(guān)元件參數的典型情況見(jiàn)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(shí)，LP=1475μH。當K=1.15時(shí)，LP′=1.15×1475=1696μH。

表2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(fā)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(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
根據表2對IF、IE進(jìn)行重新調整。

TOPSwitch－II獨立于Ui、PO的電源參數值，見(jiàn)表3。這些參數一般不受Uimin變化的影響。

表3獨立于Ui、PO的電源參數值

獨立參數典型值

開(kāi)關(guān)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

（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(kāi)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(xiàn)圈電阻RP（mΩ） 5000 1800 650 350 250 175 140

次級線(xiàn)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

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