单片开关电源的快速设计方案(一)
内容摘要：单片开关电源是国际上90年代才开始流行的新型开关电源芯片。本文阐述其快速设计方法，TOPSwitch-GX是2000年底国际上最新推出的第四代单片开关电源系列产品。文中介绍了TOPSwitch-GX的工作原理，重点阐述其测试技术，包括对TOPSwitch-GX集成电路、开关电源稳压性能及高频变压器电气性能的测试，TOPSwitch-GX系列是美国Power Integra-tions公司继TOPSwitch-GX、 TOPSwitch-GX-II和四代单片开关电源集成电路，现已作为主流产品进行推广，可广泛用于仪器仪表、笔记本电脑、移动电话、电视机、DVD、摄录像机、手机电池充电器等领域。对TOPSwitch-GX系列单片机开关电源的测试是一项新技术，它对于评价单片开关电源的技术指标至关重要。
关键词：单片开关电源快速设计；击穿电压；稳压性能
目 录
引言 1
第 一 章 宽范围输入且输出为5V时PD与η，PO的关系曲线 2
第 二章 正确选择TOPSwitch－II芯片的方法 5
2．1利用上述关系曲线迅速确定TOPSwitch－II芯片型号的设计程序如下 5
2．2下面将通过3个典型设计实例加以说明 5
第 三 章 根据输出功率比来修正等效输出功率等参数 8
3．1修正方法 8
3．2相关参数的修正及选择 8
第 四 章2TOP开关结构及工作原理 11
4.1结构 11
4.2工作原理 11
结 论 14
致 谢 15
引 言
开关电源被誉为高效节能型电源，它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。半个世纪以来，开关电源大致经历了四个发展阶段。早期的开关电源全部由分立元件构成，不仅开关频率低，效率不高，而且电路复杂，不易调试。20世纪70年代研制出的脉宽调制器集成电路，仅对开关电源中的控制电路实现了集成化。80年代问世的单片开关式稳压器，将脉宽调制器、功率输出级、保护电路等集成在一个芯片中，但需配工频变压器与电网隔离，从本质上讲它仍属于DC／DC电源变换器。直到如年代中、后期，随着各种类型单片开关电源集成电路(以下简称单片开关电源)的问世，AC／DC电源变换器的集成化才终于变成了现实。
单片开关电源集成电路具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等优点，能构成高效率无工频变压器的隔离式开关电源。各种单片开关电源自1994—2000年陆续推出以来，逐渐显示出其强大的生命力，目前已成为国际上开发中、小功率开关电源、精密开关电源及开关电源模块的优选集成电路。它被广泛用于仪器仪表，办公自动化设备，无线通信设备，笔记本电脑，彩色电视机，摄、录像机，AC／DC电源适配器等领域。所构成的开关电源在成本上与相同功率的线性稳压电源相当，而其电源效率显著提高，体积与重量大为减小。这就为新型开关电源的推广与普及，创造了良好条件。
第 一 章 宽范围输入且输出为5V时PD与η，PO的关系曲线
宽范围输入时PD与η，PO的关系曲线
PO/W
图1-1宽范围输入且输出为5V时PD与η，PO的关系曲线
图1-2宽范围输入且输出为12V时PD与η，PO的关系曲线
图1-3固定输入且输出为5V时PD与η，PO的关系曲线
TOP221～TOP227系列单片开关电源在宽范围输入（85V～265V）的条件下，当UO=＋5V或者＋12V时，PD与η、PO的关系曲线分别如图1、图2所示。这里假定交流输入电压最小值Uimin=85V，最高
η/％(Uimin=85V)
η/％(Uimin=195V)
交流输入电压Uimax=265V。图中的横坐标代表输出功率PO，纵坐标表示电源效率η。所画出的7条实线分别对应于TOP221～TOP227的电源效率，而15条虚线均为芯片功耗的等值线。
第 二章 正确选择TOPSwitch－II芯片的方法
2．1利用上述关系曲线迅速确定TOPSwitch－II芯片型号的设计程序如下
（1）首先确定哪一幅曲线图适用。例如，当Ui=85V～265V，UO=＋5V时，应选择图1。而当Ui=220V(即230V－230V×4.3％)，UO=＋12V时，就只能选图4；
（2）然后在横坐标上找出欲设计的输出功率点位置（PO）；
（3）从输出功率点垂直向上移动，直到选中合适芯片所指的那条实曲线。如不适用，可继续向上查找另一条实线；
（4）再从等值线（虚线）上读出芯片的功耗PD。进而还可求出芯片的结温（Tj）以确定散热片的大小；
（5）最后转入电路设计阶段，包括高频变压器设计，外围元器件参数的选择等。
2．2下面将通过3个典型设计实例加以说明
例1：设计输出为5V、300W的通用开关电源
通用开关电源就意味着交流输入电压范围是85V～265V。又因UO=＋5V，故必须查图1所示的曲线。首先从横坐标上找到PO=30W的输出功率点，然后垂直上移与TOP224的实线相交于一点，由纵坐标上查出该点的η=71.2％，最后从经过这点的那条等值线上查得PD=2.5W。这表明，选择TOP224就能输出30W功率，并且预期的电源效率为71.2％,芯片功耗为2.5W。
若觉得η=71.2％的效率指标偏低，还可继续往上查找TOP225的实线。同理，选择TOP225也能输出30W功率，而预期的电源效率将提高到75％，芯片功耗降至1.7W。
根据所得到的PD值，进而可完成散热片设计。这是因为在设计前对所用芯片功耗做出的估计是完全可信的。
例2：设计交流固定输入230V±15％，输出为直流12V、30W开关电源。
图2-1固定输入且输出为12V时PD与η，PO的关系曲线
η/％(Uimin=195V)
图2-2宽范围输入时K与Uimin′的关系
图2-3固定输入时K与Uimin′的关系
根据已知条件，从图4中可以查出，TOP223是最佳选择，此时PO=30W，η=85.2％，PD=0.8W。
例3：计算TOPswitch－II的结温
这里讲的结温是指管芯温度Tj。假定已知从结到器件表面的热阻为RθA(它包括TOPSwitch－II管芯到外壳的热阻Rθ1和外壳到散热片的热阻Rθ2)、环境温度为TA。再从相关曲线图中查出PD值，即可用下式求出芯片的结温：
Tj=PD·RθA＋TA(1)
举例说明，TOP225的设计功耗为1.7W，RθA=20℃/W，TA=40℃，代入式（1）中得到Tj=74℃。设计时必须保证，在最高环境温度TAM下，芯片结温Tj低于100℃，才能使开关电源长期正常工作。
第 三 章 根据输出功率比来修正等效输出功率等参数
3．1修正方法
如上所述，PD与η，PO的关系曲线均对交流输入电压最小值作了限制。图1和图2规定的Uimin=85V，而图3与图4规定Uimin=195V（即230V－230V×15％）。若交流输入电压最小值不符合上述规定，就会直接影响芯片的正确选择。此时须将实际的交流输入电压最小值Uimin′所对应的输入功率PO′，折算成Uimin为规定值时的等效功率PO，才能使用上述4图。折算系数亦称输出功率比（PO′/PO）用K表示。TOPSwitch－II在宽范围输入、固定输入两种情况下，K与U′min的特性曲线分别如图5、图6中的实线所示。需要说明几点：
（1）图5和图6的额定交流输入电压最小值Uimin依次为85V，195V，图中的横坐标仅标出Ui在低端的电压范围。
（2）当Uimin′>Uimin时K>1，即PO′>PO，这表明原来选中的芯片此时已具有更大的可用功率，必要时可选输出功率略低的芯片。当Uimin′
（3）设初级电压为UOR，其典型值为135V。但在Uimin′<85V时 ， 受 TOPSwitch－ II调 节 占 空 比 能 力 的 限 制 ， UOR会 按 线 性 规 律 降 低 UOR′ 。 此 时 折 算 系 数 K="UOR′" /UOR<1。 图 5和 图 6中 的 虚 线 表 示 UOR′ /UOR与 Uimin′ 的 特 性 曲 线 ， 利 用 它 可 以 修 正 初 级 感 应 电 压 值 。
例4：设计12V，35W的通用开关电源
已知Uimin=85V，假定Uimin′=90％×115V=103.5V。从图5中查出K=1.15。将PO′=35W、K=1.15一并代入式（2）中，计算出PO=30.4W。再根据PO值，从图2上查出最佳选择应是TOP224型芯片，此时η=81.6％，PD=2W。
若选TOP223，则η降至73.5％,PD增加到5W，显然不合适。倘若选TOP225型，就会造成资源浪费，因为它比TOP224的价格要高一些，且适合输出40W～60W的更大功率。
3．2相关参数的修正及选择
（1）修正初级电感量
在使用TOPSwitch－II系列设计开关电源时，高频变压器以及相关元件参数的典型情况见表1，这些数值可做为初选值。当Uimin′
LP′=KLP（3）
查表1可知，使用TOP224时，LP=1475μH。当K=1.15时，LP′=1.15×1475=1696μH。
表3-1光耦合器参数随Uimin′的变化
最低交流输入电压Uimin(V) 85 195
LED的工作电流IF（mA） 3.5 5.0
光敏三极管的发射极电流IE（mA） 3.5 5.0
（2）对其他参数的影响
当Uimin的规定值发生变化时，TOPSwitch－II的占空比亦随之改变，进而影响光耦合器中的LED工作电流IF、光敏三极管发射极电流IE也产生变化。此时应根据表2对IF、IE进行重新调整。
TOPSwitch－II独立于Ui、PO的电源参数值，见表3。这些参数一般不受Uimin变化的影响。
表3-2独立于Ui、PO的电源参数值
独立参数 典型值
开关频率f(kHz) 100
输入保护电路的箝位电压UB(V) 200
输出级肖特基整流二极管的正向压降UF(V) 0.4
初始偏置电压UFB(V) 16
表3-3输入滤波电容的选择
参数 TOP221 TOP222 TOP223 TOP224 TOP225 TOP226 TOP227
高频变压器初级电感LP(μH) 8650 4400 2200 1475 1100 880 740
高频变压器初级泄漏电感LPO(μH) 175 90 45 30 22 18 15
次级开路时高频变压器的谐振频率fO(kHz) 400 450 500 550 600 650 700
初级线圈电阻RP（mΩ） 5000 1800 650 350 250 175 140
次级线圈电阻RS（mΩ） 20 12 7 5 4 3.5 3
输出滤波电感的直流电阻RL1（mΩ） 40 32 25 20 16 13 10
共模扼流圈的直流电阻RL2（mΩ） 400 370 333 300 267 233 200
转
第 四 章2TOP开关结构及工作原理
4.1结构
TOP开关集各种控制功能、保护功能及耐压700V的功率开关MOSFET于一体，采用TO?220或8脚DIP封装。少数采用8脚封装的TOP开关，除D、C两引脚外，其余6脚实际连在一起，作为S端，故仍系三端器件。三个引出端分别是漏极端D、源极端S和控制端C。其中，D是内装MOSFET的漏极，也是内部电流的检测点，起动操作时，漏极端由一个内部电流源提供内部偏置电流。控制端C控制输出占空比，是误差放大器和反馈电流的输入端。在正常操作时，内部的旁路调整端提供内部偏置电流，且能在输入异常时，自动锁定保护。源极端S是MOSFET的源极，同时是TOP开关及开关电源初级电路的公共接地点及基准点。
4.2工作原理
TOP包括10部分，其中Zc为控制端的动态阻抗，RE是误差电压检测电阻。RA与CA构成截止频率为7kHz的低通滤波器。主要特点是：
（1）前沿消隐设计，延迟了次级整流二级管反向恢复产生的尖峰电流冲击；
（2）自动重起动功能，以典型值为5％的自动重起动占空比接通和关断；
（3）低电磁干扰性（EMI），TOP系列器件采用了与外壳的源极相连，使金属底座及散热器的dv/dt=0，从而降低了电压型控制方式与逐周期峰值电流限制;
（4）电压型控制方式与逐周期峰值电流限制。
下面简要叙述一下：
（1）控制电压源
控制电压Uc能向并联调整器和门驱动极提供偏置电压，而控制端电流Ic则能调节占空比。控制端的总电容用Ct表示，由它决定自动重起动的定时，同时控制环路的补偿，Uc有两种工作模式，一种是滞后调节，用于起动和过载两种情况，具有延迟控制作用；另一种是并联调节，用于分离误差信号与控制电路的高压电流源。刚起动电路时由D-C极之间的高压电流源提供控制端电流Ic，以便给控制电路供电并对Ct充电。
（2）带隙基准电压源
带隙基准电压源除向内部提供各种基准电压之外，还产生一个具有温度补偿并可调整的电流源，以保证精确设定振荡器频率和门极驱动电流。
图4-1TOP开关内部工作原理图
（3）振荡器
内部振荡电容是在设定的上、下值UH、UL之间周期性地线性充放电，以产生脉宽调制器所需要的锯齿波（SAW），与此同时还产生最大占空比信号(Dmax)和时钟信号(CLOCK)。为减小电磁干扰，提高电源效率，振荡频率（即开关频率）设计为100kHz，脉冲波形的占空比设定为D。
（4）放大器
误差放大器的增益由控制端的动态阻抗Zc来设定。Zc的变化范围是10Ω～20Ω，典型值为15Ω。误差放大器将反馈电压UF与5.7V基准电压进行比较后，输出误差电流Ir，在RE上形成误差电压UR。
（5）脉宽调制器（PWM）
脉宽调制器是一个电压反馈式控制电路，它具有两层含义。第一、改变控制端电流Ic的大小，即可调节占空比D，实现脉宽调制。第二、误差电压UR经由RA、CA组成截止频率为7kHz的低通滤波器，滤掉开关噪声电压之后，加至PWM比较器的同相输入端，再与锯齿波电压UJ进行比较，产生脉宽调制信号UB。
（6）门驱动级和输出级
门驱动级（F）用于驱动功率开关管(MOSFET)，使之按一定速率导通，从而将共模电磁干扰减至最小。漏?源导通电阻与产品型号和芯片结温有关。MOSFET管的漏?源击穿电压U(bo)ds≥700V。
（7）过流保护电路
过流比较器的反相输入端接值电压ULIMIT，同相输入端接MOSFET管的漏极。此外，芯片还具有初始输入电流限制功能。刚通电时可将整流后的直流限制在0.6A或0.75A。
（8）过热保护电路
当芯片结温TJ>135℃时，过热保护电路就输出高电平，将触发器Ⅱ置位，Q=1，，关断输出级。此时进入滞后调节模式，Uc端波形也变成幅度为4.7V～5.7V的锯齿波。若要重新起动电路，需断电后再接通电源开关；或者将控制端电压降至3.3V以下，达到Uc(reset)值，再利用上电复位电路将触发器Ⅱ置零，使MOSFET恢复正常工作。
（9）关断/自起动电路
一旦调节失控，关断/自动重起动电路立即使芯片在5％占空比下工作，同时切断从外部流入C端的电流，Uc再次进入滞后调节模式。倘若故障己排除，Uc又回到并联调节模式，自动重新起动电源恢复正常工作。自动重起动的频率为1.2Hz。
（10）高压电流源
在起动或滞后调节模式下，高压电流源经过电子开关S1给内部电路提供偏置，并且对Ct进行充电。电源正常工作时S1改接内部电源，将高压电流源关断。
当TOP开关起动操作时，在控制端环路振荡电路的控制下，漏极端有电流流入芯片，提供开环输入。该输入通过旁路调整器、误差放大器时，由控制端进行闭环调整，改变Ir，经由PWM控制MOSFET的输出占空比，最后达到动态平衡。
结 论
由于TOP芯片内部完全集成了SMPS的全部功能，所以利用它设计出的开关电源周期短，成本低，对于小功率电源，简单，体积小，重量轻。随着TOP开关系列的不断发展与改进，其在开关电源及其它应用领域中必将有着更加灿烂的前景。
致 谢
首先，我要特别感谢我的导师一个学期以来对我的指导和帮助。在我进行毕业设计的过程中，导师给予了我悉心的指导，教会我研究课题的方法，不断地鼓励和督促我。每有困难时，导师总会给予我引导，导师的严谨治学态度，不断进取的作风使我获益匪浅。正是由于导师的这种态度，我的毕业设计才能顺利进行下去。在此，我向导师致以衷心的感谢和敬意！
感谢实验室里的师兄、师姐，他们在我毕业设计过程中给予了悉心的帮助。感谢我周围的同学的支持与帮助，另外还有很多同学都给予了我帮助，在此一并表示感谢！
参 考 文 献
[１] Power．Supplemental Data Book and Design Guide,?1998
[２] Motorola公司产品手册,1999
[３] 沙占友,《新型特种集成电源及其应用》,北京,人民邮电出版社,1998.3
[４] 沙占友等,《新编实用数字化测量技术》,北京,国防工业出版社,1998.1
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